Алексей Федоров: о том, как квантовая физика меняет мир

Каждый год журнал Forbes публикует рейтинг «30 до 30». В него входят представители бизнеса, искусства и науки, которые до тридцати лет получили признание публики и более опытных коллег. А недавно онлайн-кинотеатр Okko выпустил документальный проект «Forbes. 30 до 30», героями которого стали участники рейтинга 2021 года. Среди них — Алексей Федоров, физик-теоретик, работающий по направлению квантовых информационных технологий в Российском квантовом центре. T&P поговорили с Алексеем о том, что квантовая физика дает миру.

— Для многих людей квантовая физика — не слишком понятная сфера. Насколько она связана с повседневной жизнью? Возможно, мы все используем квантовые технологии, но не задумываемся об этом?

— Квантовая механика получила широкую известность благодаря своим парадоксам. Они многократно популярилизировались — например, в «Теории большого взрыва», где рассказывают про кота Шредингера, и многое другое. Квантовая механика появилась как попытка разрешить актуальные на тот момент проблемы классической физики — с ней мы подробно знакомимся в школе, а квантовую механику затрагиваем гораздо меньше. Решением одной из проблем того времени — излучением абсолютно черного тела — занимался Макс Планк. В какой-то момент он предположил, что излучение происходит не непрерывно, а отдельными порциями, которые он назвал квантами. И у этой гипотезы появились далеко идущие последствия.

Во-первых, поменялась картина мира по сравнению с тем, какой она была, допустим, в конце XIX века. И поменялась значительно. Здесь есть практические вещи. К примеру, было известно, что есть электромагнитное взаимодействие, есть гравитационное — а в следующие годы обнаружились, скажем, еще сильное и слабое ядерные. Вместе с электромагнитным они объединились в Стандартную Модель физики элементарных частиц. Это привело к экспериментам на адронном коллайдере. Многое из того, что мы слышим из фундаментальной физики, неразрывно связано с квантовой механикой и последствиями ее применения для описания различных физических явлений.

Если говорить более философски, появилась или скорее даже возродилась концепция индетерминизма. В конце XIX века люди думали, что все уравнения известны, и если задать начальные условия, то можно смоделировать все процессы и понять, как устроена Вселенная. Оказалось, что моделирование отдельных квантовых систем настолько сложная задача, что предсказать поведение их бывает крайне затруднительно. И вот эта концепция полного детерминизма слегка поменялась — возникла более изящная конструкция. То есть, первое, что стоит зафиксировать, если говорить кратко, — квантовая механика изменила картину мира, в котором мы живем.

Во-вторых, появились приборы и устройства, которые связаны с квантовыми эффектами. Наиболее заметные из них — это лазеры и транзисторы, которые сформировали современные IT-технологии. Их появление связано с исследованиями в области квантовой механики: исследованиями квантовой физики твердого тела и квантовой теории излучения. Вот Эйнштейн, например, нам известен как создатель теории относительности. Но на самом деле он получил Нобелевскую премию за квантовую теорию фотоэффекта и внес очень важный вклад в развитие концепции лазеров. В общем, как с точки зрения общего понимания, так и с точки зрения практических вещей, вплоть до тех, которые позволяют делать это интервью, квантовая механика сильно изменила мир.

В последнее время, скажем, 30–40 лет, существует идея построения квантовых технологий второго поколения. Чем они отличаются от лазеров и транзисторов? Тем, что мы управляем не квантовыми свойствами «в целом», а индивидуальными квантовыми объектами — атомами, частицами света, фотонами, квантами света, отдельными электронами и даже отдельными степенями свободы квантовых систем. И оказывается, что поведение таких систем по отдельности, когда мы контролируем квантовое состояние, резко отличается от того, как ведет себя, скажем, коллективная квантовая система.

И это позволяет создавать приборы и устройства нового типа — они сегодня называются квантовыми технологиями. Это квантовые компьютеры, позволяющие решать те задачи, которые не решит классический суперкомпьютер, основанный на кремниевых транзисторах. Это квантовая криптография, или, более точно, квантовое распределение ключей, которое позволяет защищать информацию от злоумышленников, причем информационная безопасность гарантирована законами физики. Это квантовый генератор случайных чисел, квантовые сенсоры для измерения высокочувствительных электромагнитных полей, квантовые навигаторы — и так далее.

Характерная черта второго поколения квантовых технологий — это управление отдельными квантовыми системами и их свойствами.

— В других интервью вы упоминали, что заинтересовались квантовой физикой благодаря видеоролику о российской науке. В нем говорилось, что у нас это одно из самых развитых направлений благодаря ученым мирового уровня. Насколько это актуально сейчас?

— Если говорить исторически, то советские и российские ученые внесли неоценимый вклад в развитие квантовой физики — в части как теории, так и экспериментов. Вот я недавно был на нашей внутренней конференции, где мой коллега выступал с докладом про Нобелевские премии по физике, и вот часть из них была связана с исследованиями российских ученых. Там говорилось, например, о Нобелевской премии Петру Леонидовичу Капице, который открыл сверхтекучесть жидкого гелия. Это одно из очень интересных квантовых явлений, которое мы до сих пор продолжаем исследовать. Да, Капица открыл его во многом благодаря своим работам, которые он проводил до возвращения в Советский Союз в Кембридже. Тем не менее сами результаты были получены в Советском Союзе.

Это все совпало с появлением плеяды физиков — теоретиков и экспериментаторов — в 1920–1930-е годы. Множество терминов, которые физики используют чуть ли не каждый день, связаны с именами советских ученых. Это, скажем, теория фазовых переходов Ландау и многие-многие другие. Были уникальные вещи с точки зрения теории и с точки зрения экспериментов — [советские ученые получили] 10 Нобелевских премий за достижения в области квантовой физики. [Например,] Басов и Прохоров получили Нобелевскую премию за создание лазера. Еще можно вспомнить эффект Вавилова — Черенкова — это и практически используется, и представляет собой очень красивый фундаментальный физический эффект.

В том ролике, который я упоминал, про это говорилось. Конечно, были серьезные потрясения для научного сообщества в 1990-е годы, что спровоцировало массовый отъезд за границу. Но вот что произошло за последние 10–20 лет, которые длится моя научная карьера: как я вижу, в целом ученые заметно усилили связи с Россией. Многие их и не прекращали, но при увеличении того внимания к науке, которое за последние 20 лет произошло в России, это сформировало прекрасные условия для взаимодействия с ведущими университетами. Возникли новые центры, новые институты. Вот, скажем, я работаю в Российском квантовом центре всю свою научную жизнь, он возник в 2011 году, а в активной фазе начал работать с 2012-го.

Получается, что ситуация действительно была сложная, но сейчас, благодаря новым возможностям для развития науки, она начинает значительно улучшаться, что уже принесло много плодов. Собственно, в том ролике и был этот прогноз, связанный с целью создания Российского квантового центра: если проводить конкурентоспособные исследования по этой области в России, фокусировать, то ситуация должна улучшиться — и она улучшилась. Сейчас в стране есть десятки групп, которые работают в этом направлении.

— Насколько я понимаю, вы занимаетесь технологией квантового блокчейна. Можете об этом рассказать? Почему это важно?

— Я, если более широко, занимаюсь направлением, которое называется «квантовые информационные технологии». Это попытка применить ресурсы квантовой физики для того, чтобы сделать существующие информационные технологии лучше. Создать, скажем, алгоритмы для квантовых компьютеров или протоколы для защищенных квантовых коммуникаций. А еще — использовать накопленный багаж знаний классической теории информации для того, чтобы описывать сложные квантовые системы. Получается такая дорога с двусторонним движением: квантовые технологии для информационных и информационные технологии для квантовой физики.

То, что вы упомянули, это такой яркий пример сочетания: у нас есть классическая технология блокчейна, которая основана на криптографии. Это распределенная система, которая работает за счет различных криптографических примитивов — прежде всего цифровых подписей — и так называемых алгоритмов консенсуса, то есть определенных правил, по которым участники сети могут добиваться согласия относительно каких-то вопросов. Оказалось, что квантовые компьютеры могут взламывать криптографические алгоритмы, в том числе те, которые используются в блокчейн-технологиях.

И вот на волне интереса, который был к блокчейну в 2015–2017 годах, пришло понимание: вот мы сейчас вкладываемся в создание технологии, а к моменту ее внедрения уже, вполне возможно, появится квантовый компьютер, который сможет взломать алгоритмы криптографии, лежащие в ее основе. Возникла идея проанализировать устойчивость блокчейна к атакам с квантового компьютера, а затем и предложение построить блокчейн на основе квантовой криптографии. Иначе говоря, заменить все или бóльшую часть криптографических элементов на квантовые криптографические. Их устойчивость уже гарантируется законами физики.

Мы провели эксперимент: собрали сеть из квантовых устройств и показали базовый пример возможности, во-первых, идентифицировать пользователя за счет квантовой криптографии, во-вторых, помочь пользователям достичь консенсуса, даже если они не доверяют друг другу. Это был скорее концептуальный эксперимент, чем нечто практическое. Но, с учетом того, что сейчас в мире строятся сети квантовой передачи данных, его результаты могут пригодиться.

— Может ли эта технология стать массовой?

— Сложно сказать. Она будет настолько массовая, насколько массовой будет квантово-криптографическая инфраструктура. Пока она таковой не является, ее применяют только отдельные компании. Скорее всего, ситуация поменяется на горизонте 3–5 лет. Думаю, ее будут использовать крупные компании, например банки. Один из вариантов, о которых мы думали, это межбанковская сеть обмена данными о платежах, построенная как децентрализованная сеть обмена информацией. Каждое отделение банка, обменивающееся с другими, в таком сценарии обладает ресурсами квантовой криптографии, поэтому такая система может запуститься.

Повторюсь, это скорее концепция, практических примеров еще нет. Но они вполне могут быть. Скажем, в Китае построена большая квантовая сеть между Пекином и Шанхаем, а в четырех городах, может, уже больше, построены внутригородские сети. Они как раз и используются для обмена в том числе банковской информацией.

Упомяну еще, что я занимаюсь больше теоретическими исследованиями, я не экспериментатор. А наше теоретическое дело — это предложить, показать, что технология в принципе может быть реализована. Масштабное внедрение требует дополнительной работы экспериментаторов, инженеров и так далее.

— Как проходит ваш рабочий день?

— Мой рабочий день последние лет 10 начинается одинаково: я захожу на сайт arXiv.org. Это сайт препринтов научных публикаций, и там почти всегда 5 дней в неделю, то есть за исключением праздников и выходных, выходят новые препринты. Самый быстрый способ узнать, что в мире происходит. Я читаю внимательно 2 раздела, они посвящены непосредственно тем направлениям, которыми я интересуюсь. Какие-то смежные разделы, если там что-то интересное. Иногда отправляю какие-то статьи своим коллегам с пометками в духе «посмотри», «они делают что-то, что и мы делаем», или «надо ускориться», или «давай подумаем, может, стоит им сообщить о том, что мы сделали».

Так проходит первая часть рабочего дня, но еще задолго до прихода на саму работу. Если говорить про основную часть, то это прежде всего общение с коллегами. Мы теоретики, поэтому у нас такие социальные упражнения — пописать формулы у доски, что-то обсудить, пересказать статью, предложить идею. И за общением проходит существенная часть времени.

Я преподаю один семестр в году. Раньше преподавал осенью, теперь весной. Поэтому иногда бывают дни с чтением лекций. Периодически приглашаю кого-то из своих коллег, чтобы они рассказали о своей деятельности. У нас есть семинары, которые мы проводим в таком гибридном формате.

В Российский квантовый центр часто приезжают гости. Это представители индустриальных компаний или министерств, которым мы рассказываем о квантовых технологиях, необходимости их внедрять, поддерживать развитие.

Есть также занятия, требующие нескольких дней, например написание научных статей. Но я это стараюсь делать один, чаще всего не на рабочем месте, а где-то еще.

— Что бы вы посоветовали почитать, посмотреть или послушать людям, которые хотят узнать о квантовой физике больше, но в основном для общего развития?

— Воспользуюсь возможностью прорекламировать материал по квантовым вычислениям, который я недавно сделал вместе с коллегами. Мы пытались собрать в одном тексте все, что, с нашей точки зрения, нужно для понимания сути и возможностей этой технологии. Мы действительно старались описать ее понятным языком, скорее для просто интересующихся, чем специалистов.

В остальном — есть разные форматы, которые зависят от вашей цели. Если цель — получить такое академическое представление, можно почитать замечательные книги. Например, книга Нильсена и Чанга «Квантовые вычисления и квантовая информация». Классика для изучающих квантовую физику и квантовую теорию информации. И есть лекции Джона Прескилла, одного из крупнейших исследователей в области квантовой информатики.

Если вы хотите познакомиться с областью в целом, я бы порекомендовал научно-популярные лекции, которые сейчас есть в большом объеме на разных видеоресурсах. Они, во-первых, более актуальны, поскольку очень быстро обновляются, а во-вторых, там можно найти изложение на свой вкус. Если вы, например, программист и вам проще разобраться на языке битов и логических операций, то для вас, скажем, есть научно-популярная лекция от крупных ИТ-компаний на тему квантовых вычислений.

Есть люди, которых интересуют какие-то приложения в отдельных областях, например финансах. Вот есть инвестиционные банки, использующие квантовые технологии. Они рассказывают о применении квантовых компьютеров на более понятном языке, чем IT-специалисты.

Можно пойти на научно-популярные ресурсы, такие как «Постнаука» и N+1. Там есть видеоблоки и материалы с лекторами, которые рассказывают про отдельные направления квантовых вычислений и квантовой криптографии.