Дмитрий Чермошенцев | Текстовая версия подкаста

Для тех, кто любит читать, текстовая версия подкаста «Знай наших!» с Дмитрием Чермошенцевым, руководителем научной группы в Российском квантовом центре, руководителем научной группы «Росатом Квантовые технологии»

Марина Бугрова:

— Здравствуйте! Это медиа «Трамплин» с подкастом «Знай наших!». Сегодня у нас в гостях Дмитрий Чермошенцев, кандидат физико-математических наук, руководитель научной группы «Росатом — Квантовые технологии», руководитель научной группы в Российском квантовом центре. Здравствуйте, Дмитрий!

Дмитрий Чермошенцев:

— Привет-привет!

— Не каждый день гостят в Омске сотрудники Российского квантового центра. С чем пожаловали?

— Мы приехали к вам с «Квантовыми неделями». Это такой большой проект, который делает «Росатом — Квантовые технологии» совместно с Российским квантовым центром. Собственно, мы здесь рассказываем про кванты, про урок цифры школьникам, студентам, и это часть большой популяризаторской программы, которую необходимо делать, для того чтобы квантовые технологии были чуть популярнее среди молодёжи. Потому что эта область сейчас очень важна. Строится квантовая индустрия, которой нужно будет достаточно большое количество кадров, а их сейчас просто нет. Так что молодёжь привлекать надо. Ну и в целом поделиться знаниями, рассказать о том, чем мы занимаемся, чтобы люди не думали, что это какая-то магия. Это физика!

— Вы так ездите по всем городам?

— Этот проект родился в «Росатом — Квантовые технологии». Изначально идея в том, чтобы популяризировать науку, квантовую физику в регионах, в частности, квантовые вычисления. Сейчас идёт большой национальный проект, называется «Дорожная карта по квантовым вычислениям». Вот первая пятилетка, назовём её так, первые пять лет «Дорожной карты» закончились. Сейчас начинается следующий этап. В рамках этой «Дорожной карты» строятся квантовые компьютеры под эгидой госкорпорации «Росатом», популяризируется наука, квантовые технологии — конкретно квантовые вычисления, разрабатываются разные образовательные программы и многое-многое другое. То есть это такая целая программа развития отрасли в стране. В рамках этой программы появились «Квантовые недели». И вот они сейчас приехали наконец сюда, в Омск.

— У нас вы совпадаете с ОМ ФЕСТ.

— ОМ ФЕСТ, я так понимаю, связан с цифровизацией.

— Да.

— И, собственно, Министерство цифровизации Омской области как раз активно курирует и «Квантовые недели» тоже.

— Большинство людей не знают о квантовом мире — так, какие-то представления имеют, вспоминают словосочетание «кот мёртв или жив».

— Шрёдингера.

— Но на самом деле квантовый мир ближе, чем вот эти представления. Можете привести примеры, где мы соприкасаемся с квантовым миром?

— На самом деле всё, чем мы с вами пользуемся, так или иначе является квантовым. Все приборы, устройства — мы никогда не задумываемся об этом, мобильные телефоны, компьютеры, медицинские приборы, микрофон — всё на свете в плане электроники, лазерных систем и сложных физических фундаментальных систем — это квантовые системы. Пошло это всё из ХХ века. В середине ХХ века, в 1948 году, изобрели первый транзистор. В 1954 году изобрели первый мазер. В 1960-м Мейман изобрёл первый лазер. И вот эти устройства не легли в основу того, что называется первая квантовая революция.

— То есть это уже не представления, это уже наша жизнь!

— Да, но те технологии, которые называются квантовыми сейчас, это всё-таки немножко другое.

— Это про будущее?

— Да. Ну уже, наверное, лет десять назад уже можно было говорить, что это прямо про будущее, а сейчас правильнее будет говорить, что это скорее про настоящее.

Значит, первая квантовая революция — все наши приборы, к которым мы с вами привыкли. Идея там в том, что в них во всех так или иначе движутся какие-то частицы: если течёт ток, то это движение электронов; электронов много, они куда-то перемещаются, нам от этого хорошо. Но нам с вами неважно, что происходит с каждым электроном по отдельности. Нам важно, что вместе они образуют ток.

Берём лазер. Лазер — это тоже источник фотонов, частицы света. Их тоже много, мы можем операции на глаза делать, резать металлы, стекло, да что угодно, что-то подплавлять, играть с котом. Фотонов тоже много, тоже неважно, что с ними происходит. Вот когда мы что-то делаем, разрабатываем какое-то устройство, в нём много частиц, и нам неважно, что с каждой из них по отдельности происходит, — это устройство первой квантовой революции. То есть они работают на коллективных квантовых явлениях.

Сейчас мы, учёные, в лабораториях, собственно, научились создавать по-прежнему массивы из достаточно большого количества частиц, но теперь мы можем контролируемым образом заставить каждую частицу чувствовать другие. То есть мы перешли от коллективных квантовых явлений, когда нам каждая отдельная частица была неважна, к индивидуальным квантовым явлениям, когда уже каждая частица важна. То есть частиц по-прежнему много, но теперь каждая из них играет важную роль.

— Слушайте, как в обществе, как в социуме! От коллективного сознания…

— Да, так и есть (оба смеются).

Вот и оказывается, что переход к этим индивидуальным квантовым эффектам открывает удивительные возможности. Они позволяют нам создавать уникальные технологии. Есть три большие области квантовых технологий. Квантовые вычисления — это всё, что связано с квантовыми компьютерами, квантовыми симуляторами, это устройства, которые позволяют решать задачи, с которыми классические компьютеры в принципе не могут справиться. Вот это, кстати, очень важный тезис, который стоит, наверное, где-то у себя зафиксировать, — что квантовые компьютеры не придут на смену классическим. Классические компьютеры останутся. Но просто существуют задачи, очень важные для человечества, например, поиск новых лекарственных молекул, то есть фактически поиск лекарств, поиск новых материалов и разработка новых материалов. Вот я приехал к вам из Москвы; есть проблема, например, борьбы с пробками: вот как сделать так, чтобы в большом мегаполисе не было пробок.

— Это тоже можно…

— ...можно пробовать, да. Ну, то есть я не могу сказать, что квантовые компьютеры — сразу лекарства от всех болезней. Потому что помимо того, что нам нужно будет что-то решать, нам ещё нужно какую-то определённую инфраструктуру подо всё это построить. Но — да, это один из возможных вариантов, как такие проблемы решить. И ещё задачи финансовой отрасли, много-много разных задач, которые можно решать при помощи квантовых компьютеров. Эти задачи не решаются при помощи классического компьютера. Ну вот просто так устроен мир. Классические вычисления очень ограниченны, когда они пытаются справиться с задачами, где для решения надо перебрать очень большое количество вариантов ответа… Ну вот давайте мы что-нибудь придумаем. Представьте, что мы с вами заработали много денег и начинаем инвестировать в недвижимость в Омской области. У нас 10 000 домов, которые мы можем купить. И нам с вами нужно выбрать те, в которые нам оптимальным образом надо вложить деньги. Что для нас с точки зрения математики представляет из себя решение? Ну, это какая-то последовательность из ноликов и единичек: единички напротив тех домов, которые надо купить, а нолики…

— ...напротив тех, которые не надо покупать.

— Да. Чтобы найти единственно правильную оптимальную последовательность этих домиков, которые надо купить, нам нужно перебрать все возможные варианты ответа. Их 2 в степени 10 000.

— Ужас!

— Мы с вами никогда это не сделаем. Даже если абсолютно все классические вычислительные устройства в нашем мире мы соединим в одну мощную систему, мы это не сделаем за время жизни Солнца, Вселенной и так далее. То есть настолько это сложная задача. Такие задачи классические компьютеры решить не могут, а вот квантовые — могут. И квантовые компьютеры строятся как раз для решения таких задач.

— Я знаю, что в Российском квантовом центре сейчас строится такой компьютер.

— Да. Ну вот есть «Дорожная карта»...

— Есть успехи?

— Вот сейчас расскажу. Есть «Дорожная карта по квантовым вычислениям», её курирует госкорпорация «Росатом» Российского квантового центра (РКЦ). Это первой части «Дорожной карты» был основной исполнитель. Квантовые компьютеры строятся не только в РКЦ. Их строят разные организации: МФТИ строит, МИСИС, ФИАН, МГУ и многие другие. Но если кратко сказать про достижения до начала «Дорожной карты», в 2019 году в России был только один квантовый компьютер с двумя кубитами. Это очень маленькая система — сверхпроводящий квантовый компьютер. На нём ничего, конечно, сделать нельзя и особо никаких вычислительных протоколов не запустишь. Вот спустя пять лет, к концу 2024 года, в России есть уже четыре квантовых компьютера: два 50-кубитных, один на ионах…

— Уже прилично.

— Да, уже прилично.

Очень важное достижение — мы смогли достигнуть, сейчас я скажу об этом. Значит, два 50-кубитных компьютера — один на ионах иттербия, один на нейтральных атомах. Вот самый мощный компьютер — он на ионах иттербия, находится в ФИАН, в Российском квантовом центре тоже есть квантовый компьютер — на ионах кальция, в нём 52 кубита. И ещё есть два квантовых компьютера — один 16-кубитный на сверхпроводниках и 35-кубитный на фотонах. Но самый мощный квантовый компьютер — всё-таки это квантовый 50-кубитный компьютер на ионах иттербия. Вот тут очень важный момент — что важно не только количество кубитов, но ещё и качество этих кубитов. Например, ионный квантовый компьютер и квантовый компьютер на нейтральных атомах — количество кубитов у них одинаковое: 50, но у ионного квантового компьютера лучше точность. Ну, условно, как вы можете себе это представлять? Представьте, что, чтобы решить какую-то задачу, вам нужно сложить 1+1 десять раз. Вот вы складываете, но каждый раз, когда вы складываете, представьте, что вы вместо двойки получаете два с половиной. Вот вы 1+1 сложили, получили два с половиной, а потом ещё единичку прибавили — получили…

— 3,7.

— Да, 3,7. Или 4. И, соответственно, когда вы десять раз сложите эту единицу, ваша ошибка уже будет очень большая. Это будет очень далеко от правильного ответа. Вот с квантовыми вычислениями то же самое. Квантовый компьютер делает то, что называется 1-кубитные, 2-кубитные операции. У этих операций есть определённая точность. Вот самая хорошая точность у квантовых компьютеров на ионах иттербия. Остальные квантовые компьютеры всё-таки пока сильно уступают ему с точки зрения именно точности и квантового объёма. Важны и точность операций, и количество кубитов.

— Это вы всё сейчас про российские компьютеры говорите?

— Это российские компьютеры, да.

— Насколько мы сейчас отстаём или, наоборот, продвинулись от западных коллег, если сравнивать?

— У нас достаточно серьёзный прогресс. Мы очень быстро движемся. Ещё с учётом того, какие ресурсы вложены в сравнении, например, с Китаем и со Штатами. Ну, наши ресурсы всё-таки более ограничены, при этом движение очень и очень быстрое. На самом деле за вот этот небольшой срок Россия вошла в тройку стран, у которых есть квантовые компьютеры на всех четырёх основных платформах. Это как раз ионные, фотоны, сверхпроводники и нейтральные атомы. Вместе с США и Китаем, собственно, мы входим в тройку. И входим в шестёрку стран, у которых есть квантовые компьютеры с количеством кубитов более чем 50.

— А мы стремимся к какому количеству кубитов?

— Мы стремимся к как можно большему и как можно более качественному. То есть на самом деле разные задачи требуют разного количества кубитов, разной точности. Чем больше у вас кубитов и лучше их качество, тем большее количество задач вы можете решить. Но в рамках первой «Дорожной карты» у нас была цель построить 50-кубитный квантовый компьютер. Соответственно в новой «Дорожной карте» мы уже будем стараться эти системы масштабировать до того момента, что они станут полезны экономически для индустрии. То есть чтобы какие-то заказчики могли прийти и что-нибудь на нём посчитать и им это было полезно. Вот это такая важная цель, которой очень хочется достигнуть к концу 2030 года. Это следующий этап «Дорожной карты». И помимо квантовых вычислений в России, ну и вообще в целом в мире есть ещё квантовые сенсоры, квантовые коммуникации. Квантовый сенсор — это про измерение слабых сигналов. Например, один из самых неизведанных во Вселенной — это наш мозг. Мы все им пользуемся, как работает — до сих пор не знаем. Проблема там связана с тем, что, когда у нас мозг активно работает, нейроны словно излучают электрические и магнитные поля, так генерируют электрические и магнитные поля. И вот чтобы считать эту главную активность мозга, нужно их измерять. Например, мы делаем какое-нибудь действие; дальше мы должны померить, какие поля у нас появляются. Электрические поля мы научились измерять — это называется электрическая энцефалограмма головного мозга.

— ЭЭГ.

— ЭЭГ, да. А вот МЭГ (магнитная энцефалограмма головного мозга) сделать сложно. Почему? Потому что магнитные поля, которые генерирует наш мозг, очень слабые. Мы живём на прекрасной планете Земля, у которой своё магнитное поле очень и очень сильное.

— Перебивается?

— Не перебивается, просто мы не можем обнаружить вот эти слабые сигналы на этом сильном фоне. Для того чтобы мы всё-таки могли их обнаружить, нам с вами надо делать какие-то очень компактные сенсоры, которые можно расположить где-то вблизи головы, и при эти сенсоры должны быть ещё и очень чувствительны. И вот, оказывается, квантовые системы для этого подходят. Можно делать, например, дефекты в алмазной решётке. Представляете себе алмаз, красивый такой. Конечно, красивый алмаз — это дорого, для того чтобы купить его в лабораторию, а вот какой-нибудь наноалмаз купить можно. Маленький кусочек алмазной структуры, из которого можете убрать один атом углерода и поставить туда атом азота. И окажется, что эта система будет очень-очень чувствительна к изменению магнитного поля, как такой суперчувствительный компас. И вы можете его измерять.

— Это будет прямо прорыв на уровне ядерного или на уровне искусственного интеллекта. Это в одном ряду можно поставить.

— Да, конечно. Ну, вообще все ждут квантовый компьютер. Вот в этом году 100-летие квантовой механики. 100 лет с того момента, как Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер изобрели матричную и волновую квантовую механику. И 80 лет атомной отрасли. 80 лет, как, собственно, началась атомная промышленность в России: атомные проекты и так далее.

Вот что интересно, сейчас все в мире очень хотят построить квантовый компьютер. Есть такая так называемая квантовая гонка. И вот эту квантовую гонку сравнивают с атомным проектом напрямую. А квантовые компьютеры называют атомной бомбой ХХI века. Почему? Потому что у него есть помимо огромного количества пользы такой важный момент…

— Мы сейчас о рисках?

— Да! Важный момент, который говорит о том, что большие мощные квантовые компьютеры могут даже дешифровывать, то есть они могут взломать современные системы защиты данных. Криптографические системы. Но… переживать тут не стоит, потому что учёные вместе с вот этим квантовым мечом в лице квантового компьютера уже сейчас разработали и создали квантовые системы защиты данных, которые называются квантовыми коммуникационными системами. Там ваша информация шифруется при помощи специальных последовательностей фотонов. Это позволяет на фундаментальном уровне защищать ваши данные, так что даже человек с квантовым компьютером или с чем-то более мощным в будущем, о чём мы, может быть, сейчас даже не знаем, потому что концепция квантового компьютера появилась только 45 лет назад, квантовой механике уже 100 лет, квантовой физике фактически 125 — с момента гипотезы Макса Планка, можно считать, она появилась. То есть человек даже с этим мощным вычислительным устройством ваши данные не украдёт. И вот это третья, собственно, область квантовых технологий — это квантовая коммуникация, система защиты данных.

— Где, на ваш взгляд, квантовые технологии нужнее всего? Вот, допустим, сейчас в нашей стране.

— Я думаю, глобально, конечно, в первую очередь это поиск лекарств. Это, мне кажется, такая суперважная задача, которую квантовый компьютер одной из первых будет пытаться хотя бы как-то решить. Что такое лекарство? Это просто какая-то молекула — белка, как правило, которая очень хитрым образом свёрнута в пространстве: у них геометрическая свёртка очень сложная. И её лекарственные свойства, оказывается, определяются вот этой геометрической свёрткой — тем, как она выглядит в пространстве. Но вот чтобы в лаборатории вы смогли её сделать, вам надо понять, чем на неё надо покапать, для того чтобы она определённым образом вот так свернулась. И знать, как она свернётся в конце концов, чтобы понять, правильная она или нет. Чтобы это сделать, нужно иметь возможность её заранее смоделировать. А это мы делать не можем. Пока. Из-за ограничений с точки зрения вычислительной мощности. И вот квантовые компьютеры тут помогут.

И второе — наверное, это материалы. Квантовые компьютеры позволят создавать более энергоэффективные, чистые, крепкие материалы для разного применения. Это, наверное, такая вторая важная часть. Ну, и все будут пытаться, конечно, взламывать шифры. Но мы от них защитимся.

— То есть на любой яд есть своё противоядие?

— Конечно!

— Как всегда.

Квантовые технологии — это будущее. А готовы ли мы к этому будущему именно технологически и, наверное, прежде всего морально?

— Ну, знаете, сложный вопрос.

— Сложный, да.

— Потому что цивилизация проходила это уже несколько раз, когда появлялась какая-то технология. Ну, например, с атомной бомбой, если говорить про ядерное оружие. С одной стороны, это технология, которая несёт в себе некие угрозы, с другой, это технология глобального сдерживания, которое, мне кажется, в каком-то смысле много конфликтов предотвратило в своё время. И человек всё-таки научился с этим работать, жить и так далее. Искусственный интеллект сейчас — это вообще что-то фантастически невероятное. Каждые два года в искусственном интеллекте меняется всё. Ещё два года назад у нас не было этих больших языковых моделей, которые могли и тексты написать, и грамматику проверить, и картинки нарисовать. А теперь это всё есть. Этика искусственного интеллекта, его контроль и так далее — это же вообще такая большая тема для обсуждения. Но с квантовыми технологиями тоже есть некоторые вопросы, как это всё регулировать, как сделать так, чтобы это по возможности не попало в какие-то не те…

— ...плохие руки.

— Да, не в те руки. Но человечество имеет свойство всё-таки справляться со всеми технологиями, как-то их укрощать. Я думаю, что и здесь мы не дадим маху и справимся.

— То есть человечество может и к этому адаптироваться?

— Конечно!

— А есть ли у вас какая-то квантовая мечта? Может быть, что-то создать с помощью квантовых технологий?

— У меня, наверное, мечта немножко из другой плоскости. Конечно, очень хочется всё создавать, что-то новое! Я учёный, поэтому мне в целом всегда необходимо создавать что-то новое.

— Интересно?

— Да, иначе я не смогу публиковать научные статьи (оба улыбаются.) и в целом я уже учёным быть тогда перестану. Мне, наверное, хочется, чтобы когда-нибудь в Российском квантовом центре, в моей лаборатории, например, люди со всего мира выбирали приезд к нам, для того чтобы делать исследования, учиться и работать, так же как они выбирают Гарвард и Оксфорд. Хочется, чтобы была такая конкурентоспособная классная среда, чтобы люди сюда ехали со всего света и строили квантовое будущее.

— Как вы думаете, сколько времени до такого момента может пройти?

— Прогнозы — дело неблагодарное. Знаете, это как в своё время была шутка на научно-популярных лекциях: если бы десять (или двадцать) лет назад спрашивали квантовых учёных, через сколько лет появятся квантовые компьютеры, они бы сказала: через десять лет. Если бы десять лет назад спросили квантового учёного, через сколько лет появятся квантовые компьютеры, он бы сказал: ну, через десять лет. Сейчас, если спросить, через сколько лет появятся квантовые компьютеры… Ну, квантовые компьютеры уже появились, вообще говоря. Опять же, какой квантовый компьютер вы ждёте? То есть какой-то супермощный, уже, может быть, через десять лет и появится. А может быть, и раньше. Тут я тоже боюсь загадывать. Это сложно. Могу сказать, что я буду делать всё для того, чтобы это состоялось. А там уже будет видно.

— В Омске, например, у вас в эти дни такая просветительская миссия. Вы к кому-то уже за это время присматриваетесь: из студентов, из коллег?

— Я пока общался только со школьниками, примерно 9-10 класс. Замечательные ребята.

— Уже успели пообщаться?

— Утром я уже прочитал небольшую лекцию. В конгресс-холле. Как раз у нас было, собственно, открытие «Квантовых недель» в Омске. Конечно, чуть-чуть ребятам ещё надо всё-таки подучиться. У нас есть разные активности для школьников и всякие кружки, олимпиады и многое другое, где эти школьники могут поднабраться опыта, поступить в какой-то хороший технический вуз и дальше — пожалуйста, приходите! Мы будем только рады, если к нам будут приходить как можно более умные и классные ребята.

— Спасибо вам большое, что приезжаете и что пришли к нам!

— Спасибо, что позвали.

Полную версию видеоподкаста можно посмотреть по ссылке: https://tramplin.media/news/18/7482