№2.2024. Идель Гумеров. О квантовых компьютерах, коммивояжёрах и тёмной материи

В Уфу приехал учёный, который занимается, казалось бы, противоположными вещами – тёмной материей в «далёком космосе» и мельчайшими частицами в лаборатории. Ещё одно направление его деятельности – квантовые компьютеры.

О том, какие проблемы стоят перед современной физикой и какие открытия и возможности сулят нынешние исследования, мы поговорили с доктором физико-математических наук Сергеем Учайкиным[*].

– Есть такое ощущение, что к XXI веку мы подошли со всеобъемлющим знанием: у нас есть общая картина мира во всех научных дисциплинах. Кажется, что новые знания уже не повлияют на наши фундаментальные представления о мире. Или это не так?

– Мне кажется, что во все времена существовало мнение, что человечество достигло вершин знания. Здесь нелишним будет вспомнить одну древнегреческую притчу. Ученик спросил мудреца: «Мудрец, ты знаешь очень много. Почему тогда у тебя возникают новые вопросы?» Мудрец начертил на песке два круга: один большой, другой маленький, и сказал: «Большой круг – это мои знания, а маленький круг – это твои знания. Всё, что вокруг – это неизвестность. Чем больше круг, тем больше он соприкасается с неизвестностью, тем больше вопросов возникает». И наши знания постоянно расширяются, что означает, что наше взаимодействие с неизведанным становится всё более глубоким. Например, согласно современным представлениям, мы воспринимаем всего лишь небольшую долю Вселенной, не превышающую 5 %. Оставшиеся 95 % приходятся на долю тёмной энергии и тёмной материи. Таким образом, если в результате физических экспериментов нам удастся раскрыть тайну природы тёмной материи и тёмной энергии, мы сможем по-настоящему понять 95 % Вселенной – её значительную часть!

– И возникнет ещё больше вопросов?

– Конечно. Как всё взаимодействует между собой, развивается. И это может использоваться во благо человечества.

– Говоря про 95 %, вы имеете в виду состав или размеры?

– Интересуют прежде всего поля и вещество. Те эффекты и события, которые мы наблюдаем в настоящее время, подразумевают, в соответствии с нашими представлениями, наличие значительного количества энергии и материи, которые мы просто не видим. И это неизведанное находится где-то рядом с нами. Или внутри нас.

Немецкий математик, астроном, первооткрыватель законов движения планет Солнечной системы Иоганн Кеплер открыл, что орбитальная скорость любой планеты зависит от расстояния до Солнца. Чем ближе к светилу, тем планета будет быстрее двигаться. Это объясняется законом всемирного тяготения – тела, находящиеся на большем расстоянии, испытывают меньшее притяжение другого тела, из-за чего их скорость меньше. Но когда мы наблюдаем удалённые галактики, то видим, что они не подчиняются закону Кеплера – орбитальная скорость звёзд, находящихся ближе к центру галактики, примерно равна орбитальной скорости звёзд вдали от него. По современным представлениям, это можно объяснить только тем, что внутри и снаружи галактики находится огромное гало, состоящее из какого-то неизвестного нам вещества. Есть различные гипотезы. Одно время думали, что это – нейтрино. Но, вычислив его массу, отвергли это предположение. Другая гипотеза – чёрные дыры. Есть методы, с помощью которых можно вычислить количество чёрных дыр; выяснилось, что и чёрных дыр недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые явления. Можно предположить, что каждая галактика имеет гало из частиц и оно по физическим размерам в десятки раз больше, чем видимая часть галактики.

Следующее явление – гравитационное линзирование. Гравитационное линзирование – это явление, когда свет отклоняется под действием гравитации. Это позволяет нам видеть объекты, которые находятся за другими объектами. Например, мы можем наблюдать отдалённые галактики, находящиеся за близкими звёздами или скоплениями галактик. Из-за того, что лучи света от одной и той же галактики могут пройти разные пути, обогнув массивные препятствия, одна и та же галактика может быть видима в различных частях небес в двух или даже в четырёх местах.  Гравитационное линзирование зависит от того, как пространство искривляется под действием материи. Однако иногда лучи могут отклоняться по пути к наблюдателю, но мы не видим никаких космических объектов, обладающих достаточной для этого массой. Предполагается, что это ненаблюдаемое нечто, состоящее из огромного количества вещества, может быть тёмной материей и тёмной энергией, которые мы сейчас пытаемся обнаружить.

– Мне всегда было интересно, что астрономия имеет нативную связь с физикой элементарных частиц. В то же время мы имеем дело с двумя противоположностями – огромной Вселенной и миром микрообъектов. Однако эти две области находятся в максимальном приближении друг к другу в тех вопросах, о которых вы сейчас говорили. Почему?

– Наверное, потому что они подчиняются единым физическим законам. Одно помогает изучать другое. Как мы можем наблюдать за другими объектами? Мы можем наблюдать за ними, фиксируя излучаемый ими свет, частицы и с недавнего времени гравитационные волны. Радиоволны и микроволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи – всё это свет, который состоит из фотонов. В то же время мы можем наблюдать всплески нейтрино, которые могут нам рассказать о таких событиях, как взрыв сверхновой. Именно космос позволяет изучить наиболее энергичные частицы, потому что в любом ускорителе, созданном усилиями многих физиков из разных стран (даже в Большом адронном коллайдере), энергии меньше, чем у частиц, которые приходят к нам из космоса. Обратная взаимосвязь – наблюдение частиц помогает нам, находящимся здесь, на Земле, изучать отдалённые объекты.

– Кстати о частицах, которые помогают нам изучать мир. Сейчас много говорят о квантовых компьютерах. В чём принципиальные особенности квантового компьютера?

– Квантовый компьютер – это одна из самых интересных идей XX века. Особенность его в том, что это – попытка использования квантовых объектов для вычислений, которые обычным компьютером невозможно сделать или сделать их очень трудно.

Если в обычном компьютере мы оперируем битами, принимающими значение 0 или 1, то в квантовом компьютере во время вычислений кубит находится в суперпозиции состояний 0 и 1. За счёт этого задачи, вычисляемые перебором большого количества значений, решаются почти мгновенно. Наша система находится одновременно во всех этих состояниях. Представим, у вас есть кодовый замок с несколькими колёсиками, и на каждом из них две цифры – 0 и 1, один бит. Чтобы открыть такой замок с одним колёсиком, нужно перебрать две комбинации – 0 и 1. Задача решается максимум за один шаг: или код сразу исходный, или следующим шагом вы откроете замок. Но в случае если есть десять колёсиков, или битов, количество комбинаций уже 2¹⁰ (или 1024), то задача перебора требует перебрать 1024 состояния. Квантовая система находится во всех этих состояниях одновременно, то есть и в состоянии решения. Квантовый компьютер может распознать это решение и выдать результат за один шаг. Иным словом, описанный здесь «квантовый замок» бесполезен, поскольку он находится во всех состояниях одновременно, в том числе и открытом. Это, конечно, шутка, но, если свойства квантового компьютера использовать разумным путём, открываются удивительные возможности вычислений, недоступных ранее.

– Какие возможности открываются?

– Эффективно решаются задачи оптимизации, в которых имеются системы с большим количеством параметров, которые можно варьировать. Например, конструкция автомобиля. Если какую-то деталь мы сделаем надёжной с большим избытком,  автомобиль получится слишком дорогим. Если сделаем недостаточно надёжной, то из-за низкого качества материала возможны частые поломки. Оптимальное решение, или «золотой стандарт», можно найти с помощью квантового компьютера.

Есть задачи оптимизации в финансовой сфере, например, предсказание поведения рынка.

Когда интерфейс и мощность квантового компьютера достигнет высокого уровня, с его помощью можно будет предсказывать погоду со значительно большей точностью.

Многие задачи принципиально не решаемы на обычном компьютере – например, «задача коммивояжёра». Допустим, почтальонам нужно отвезти посылки в 33 тысячи населённых пунктов с наименьшим количеством пересечений и наименьшим расходом топлива. Кажется, что задача очень простая и современные компьютеры могут быстро её решить, но это не так. Если городов будет 33, то число маршрутов между ними будет более 136 дециллионов (дециллион – единица с 33 нулями), и компьютеру понадобится миллионы лет, чтобы найти правильный ответ. А если учитывать не только расстояния, но и другие параметры, количество почты, перепад высот и т. д.? Поиск оптимального решения по выбранным параметрам в сложной системе представляет собой чрезвычайно непростую задачу.

Есть задачи прогнозирования свойств материалов. С помощью квантового компьютера мы можем рассчитать влияние каждого атома и каждой молекулы на прочность, упругость и условия разрушения. Естественно, для более точного прогноза свойств требуется всё более сложный компьютер. Также важны задачи, связанные с производством лекарств, – мы можем узнать, как их молекулы будут взаимодействовать с организмом, предсказать полезный эффект и возможные побочные действия. Квантовый компьютер задействует принцип вероятности. Устройство мгновенно анализирует все предполагаемые сочетания. Истинным становится наиболее реалистичное решение. Чаще всего оно и оказывается лучшим выбором.

 – Какие основные сложности стоят перед разработкой квантовых компьютеров?

– Развитие квантовых компьютеров идёт в двух основных направлениях – универсальном и адиабатическом. Прогресс в области адиабатических квантовых компьютеров (АКК) значителен. Универсальные квантовые компьютеры (УКК) воспроизводят структуру обычных компьютеров, используя вентили (гейты), взаимодействующие между собой. Однако проблема заключается в том, что воздействие окружающей среды нарушает квантовое состояние, приводя к ошибкам. Для их исправления требуется добавление новых гейтов. Таким образом, создание квантового компьютера с 50 кубитами требует внедрения сотен тысяч дополнительных гейтов, каждый из которых подвержен риску нарушения квантового состояния. Это явление усиливается с увеличением сложности системы, сокращая длительность квантового состояния.

АКК – альтернативный путь. Это система связанных кубитов, которую можно запрограммировать так, чтобы она моделировала изучаемую систему. В ходе вычислений ей достаточно находиться в квантовом состоянии очень короткое время. В этом случае компьютер менее чувствителен к воздействию внешней среды. Сейчас существуют АКК с более чем 4 тысячами кубитов.

Перед научным и инженерным сообществом встают чрезвычайно сложные задачи в области квантовых вычислений. Квантовые состояния обладают крайне коротким временем жизни и высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Для поддержания необходимых условий работы требуется создание высокотехнологичных устройств, стоимость которых достигает десятков миллионов долларов. В случае сверхпроводниковых компьютеров эти устройства поддерживают температуру чуть выше абсолютного нуля и обеспечивают максимальную защиту от внешних помех.

– Какое место в этих разработках занимает Россия? Можно ли вообще говорить о роли государств?

– Конечно. Квантовые компьютеры могут иметь кроме гражданских также и военные приложения. Государственное финансирование в первую очередь связано с этой областью.

В России местными учёными и с помощью соотечественников, работающих за рубежом, были достигнуты успехи – несколько лет назад продемонстрирован первый российский кубит. В Нижнем Новгороде и МФТИ им. Баумана, других университетах и институтах имеются хорошие технические возможности – специальные лаборатории, в которых на основе передовых тонкоплёночных технологий делают уникальные приборы.

К сожалению, в 90-е годы множество сотрудников и технологий покинуло страну. Сейчас ситуация меняется. Но из-за недостатка средств и времени производство очень многих компонентов – систем охлаждения, насосов, радиокомпонентов –всё же идёт не так быстро, как бы хотелось.

– Другое направление вашей работы – эксперименты по поиску аксионов. Что это такое?

– Аксионы, как предполагается, должны подчиняться правилам квантовой механики, то есть обладать свойствами как волн, так и частиц. Как частицы, они должны обладать исключительно малой массой, от сотен до миллиардов раз меньшей, чем у нейтрино – самых лёгких частиц, обладающих массой, среди известных нам сегодня. Поскольку они такие лёгкие, длина их волны может быть равна длине радиоволн.

Аксионы потенциально могут объяснить целый ряд космологических загадок, в первую очередь о природе неуловимой тёмной энергии, которая, как считается, движет ускоряющимся расширением нашей Вселенной. Одним словом, это частицы, которые могут ответить на наиболее таинственные вопросы о строении нашей Вселенной. Именно поэтому усилия по их поиску сейчас активизировались.

У учёных было несколько предположений насчёт природы тёмной материи. Так, двадцать лет назад наиболее популярным был поиск больших нейтральных частиц – так называемых ВИМП. В то время это были одни из самых сложных экспериментов, потому что надо было наблюдать настолько редкие предполагаемые события, что радиоактивность от капельки пота, случайно попавшей на детектор, могла заглушить этот сигнал. Подогревал интерес и сообщение одного из первых экспериментов об обнаружении этих частиц, в конце концов оказавшееся неподтверждённым. Однако за десятилетия, прошедшие с начала поиска ВИПМ, многочисленные попытки поиска ВИМП закончились неудачами.

Поэтому последние несколько лет физики стали больше внимания уделять другим возможным кандидатам в тёмную материю, в том числе аксионам. И эти эксперименты оказались ещё более сложными, чем эксперименты по поиску ВИМП.

Обнаружение аксионов может дать ответ на ещё один из фундаментальных вопросов – почему в нашей Вселенной материи больше, чем антиматерии, или так называемое нарушение CP-симметрии. Физики предположили, что имеется какая-то очень маленькая частица с неизвестной массой, которая могла бы объяснить ассиметрию. Затем пришли к мысли, что эта же частица, находясь в определённом диапазоне масс, может объяснить тёмную энергию.

Есть несколько методов для поиска аксионов. Наш коллектив этим занимается с помощью так называемого галоскопа. Это микроволновый резонатор, помещаемый в сильное магнитное поле. Аксион должен взаимодействовать с магнитным полем и преобразовываться в микроволновый фотон. Частота фотона зависит от неизвестной массы аксиона. Существующие расчёты показывают, что скорость сканирования частоты зависит от объёма резонатора, величины магнитного поля и шумов микроволнового усилителя. Моя работа в Южной Корее заключается в том, чтобы сделать такие усилители и охладить систему до как можно меньшей температуры. Такую систему нам удалось создать в 2022 году. Мы снизили температуру до величины 25 милликельвин, в 4 раза меньшей по сравнению с другими экспериментами. Наши усилители также являются рекордными, их шум лишь немного отличается от минимально достижимого шума, определяемого законами квантовой механики.

Сложность экспериментов в том, что никто не знает массы аксиона. Она определяет частоту образующихся в галоскопе фотонов. Из-за того, что эта масса может находиться в огромном пределе, мы должны просканировать частоты от сотен мегагерц до сотен гигагерц (ГГц). Сейчас наибольшая скорость сканирования – 3 МГц в день. Это значит, что в течение года мы можем сканировать 1 ГГц. Всё равно это в несколько раз выше, чем у наших конкурентов.

– То есть, отсканировав этот диапазон частот, можно выявить частоту фотона, соответствующую массе аксиона?

– Да. Мы ожидаем очень слабый сигнал на уровне 10^-22 – 10^-24 Вт.

– Узнав массу аксиона, из расчётной частицы мы получим действительную массу, ранее нам неизвестную, присутствующую в антиматерии?

– Если будет найдена масса аксиона, мы сможем изучать эту частицу. Можно будет перейти от сканирования к созданию специального прибора для изучения на конкретной частоте – плотности, её изменения, выявления потоков частиц. Мы сможем узнать, что происходило во Вселенной ранее. Мы узнаем очень много интересного о Вселенной, о её прошлом и будущем.

– Работа учёных происходит в кооперации. Не только в интернациональных коллективах, но и за счёт обмена опытом, знаниями. В каком состоянии эта кооперация находится сейчас? Научное сообщество затрагивает процесс «деглобализации»?

– Конечно, ведь есть страны, между которыми вообще прекратилось общение. Мы не можем приобрести изделия, ранее покупавшиеся в России. А Россия не может купить нужные ей изделия в других государствах. Европейские учёные имеют трудности в кооперации с российскими исследователями. Хотя такая кооперация очень важна. Некоторые изделия сейчас мы закупаем в Китае, хотя есть ограничения на покупку ряда материалов, другие – в США, полупроводниковые усилители – в Швеции. Раньше высококачественные кристаллические и радиотехнические изделия поступали из России, пока из-за ограничений это невозможно.

– Вам не кажется, что, имея в XXI веке огромные возможности для совершения научных рывков, мир «дерётся в песочнице»?

– Когда политические вопросы будут решены, я надеюсь, что сотрудничество возобновится. Я оптимист.

– Ваша научная карьера как-либо связана с Уфой?

– Мы проводим некоторые совместные проекты с коллегами из Уфимского государственного нефтяного технического университета, касающиеся не моей основной специальности, а связанные с определением качества нефти и её транспортировкой.

[*] Сергей Учайкин – доктор физико-математических наук, академик Российской академии естествознания, в прошлом старший научный сотрудник Института физики Макса Планта (Мюнхен, Германия) и компании D-Wave Systems Inc., профессор Томского политехнического университета, в настоящее время работает главным научным сотрудником Института фундаментальных наук (Тэджон, Республика Корея). Профиль исследований – разработка малошумящих квантовых усилителей для поиска аксионов. Родился в 1963 году в Томске.