«Мозг человека – это и есть квантовый компьютер». Интервью с омским квантовым физиком Игорем Широковым

В новом зимнем номере печатного журнала «Трамплин. Возможности» заглянули в будущее – о постквантовой криптографии, нечеловеческой логике, спекуляциях на ИИ и о том, как выходить за рамки, рассказал в интервью «Трамплину» известный омский математик, доктор физико-математических наук, специалист по квантовой теории поля и математической физике, автор более ста научных статей и монографий, профессор Игорь Широков. 

Что такое квантовый компьютер? Насколько разные по устройству классический и квантовый компьютер?

Это принципиальное новое устройство, аналоговое, и у квантовых компьютеров на сегодняшний день нет единого принципа построения. Даже физически это разные установки. Квантовый компьютер работает при сверхнизких температурах, в районе нескольких Кельвинов (1 кельвин в градусах по Цельсию – -272,15 °С. – Прим. ред), чтобы свести к минимуму внешние воздействия. Ничего общего с современным компьютером он не имеет. Со временем, возможно, мы упакуем его в красивую коробочку с лампочками, а пока что это огромная установка высотой в 2-3 метра. Результат его работы – некое измерение, так что это, скорее, экспериментальный стенд, на котором проводятся измерения. В Москве работает квантовый центр, он занимается квантовой телефонией, например. 

Какие возможности открывает перед нами эра квантовых компьютеров?

Польза от использования таких устройств гигантская – например, моделирование любых квантовых процессов. 

Есть фундаментальные уравнения, уравнение Шрёдингера, например, и если бы мы смогли их решать, то все химические свойства были бы нам известны, и мы могли бы заранее создавать материалы с любыми свойствами – суперпрочные и лёгкие. Это была бы революция и прорыв во всех сферах жизни человечества. Этим занимается наука квантовая химия, она только начала развиваться.

Получается, польза от использования квантового компьютера превышает возможные угрозы?

Угрозы… Я бы такие слова не использовал. Ещё в докомпьютерную эпоху шифры были, например, их делала немецкая криптомашина «Энигма». Затем американцы создали компьютер, и выяснилось, что с его помощью можно взломать все шифры. Человечество не растерялось – объявило новую эпоху, которую назвало эрой компьютерной криптографии, и потребовало, чтобы шифры были устойчивыми. И такие коды были созданы. Да, их теперь можно взломать квантовым компьютером, но сейчас ведутся работы, чтобы создать шифры и протоколы, которым им неподвластны. Сейчас этим занимается постквантовая криптография. Так что это вечная борьба щита и меча – одни люди придумывают криптопротоколы, другие – способы взлома, одни – броню, другие снаряды. Это вечный процесс, диалектика.

Ещё важно, что даже в криптографии квантовые компьютеры используются не только для взломов, но и для защиты от взломов. Например, квантовая телефония. Любой канал может быть прослушан, и абонент об этом не узнает. А если мы наладим квантовый канал, его нельзя прослушать, и сейчас такие каналы используют для протоколов выработки секретного ключа.

Для многих новые технологии связаны с опасениями – пресловутые восстания машин и истребление человечества. Но для вас как физика-математика это страшное будущее – рабочее настоящее. Исходит ли опасность от искусственного интеллекта? 

ИИ нужно только приветствовать – это инструмент, который нам помогает жить и не более того. Если он вдруг обретёт разум или начнёт решать творческие задачи, это тоже будет здорово. Иногда мы в работе используем высокоинтеллектуальные продукты и среды для научных расчётов, и это очень помогает. 

Раньше на языках программирования низкого уровня уходило полгода-год, чтобы решить, например, дифференциальное уравнение. Сейчас 3-4 строчки – и готовы решение и график. Задача человека здесь – осмысливать полученные результаты. ИИ – это помощник и не более того.

А как же насчёт того, что недавно учёные призвали ограничить развитие технологий, потому что это слишком опасно для человека?

Я слышал и такую байку, и более страшные – когда ИИ пишет код, чтобы таким образом захватить весь мир. (смеется.) Не знаю, какие это учёные распространяют, но они тоже люди и тоже хотят поразвлекаться. Я думаю, что это забавная научная спекуляция, профессиональная страшилка. Никто из учёных не боится новых технологий.

По поводу того, что мы все живём в матрице – тоже спекуляция, но некоторые воспринимают это серьёзно. За рубежом есть научные проекты, направленные на доказательство или опровержение того факта, что мы живём в матрице. Кстати, не все знают, что опыты по квантовой телепортации – это не фантастика, а уже экспериментальная физика. Не людей, не кирпичи, но элементарные частицы уже телепортируют. С квантовой теорией вообще все интересно и загадочно. Если в двух словах, то философы тысячелетиями спорили – идеалисты и материалисты, что первично: материя или сознание? Оказалось, что ни то, ни другое – наш мир не материален и из физической теории нельзя изгнать полностью сознание. И это доказано экспериментально.

Как именно?

Смотрите – вот мой смартфон, я его вам показываю. А теперь я его прячу в карман, и вы ожидаете, что хоть вы его не видите, но он обладает некими физическими характеристиками: массой, формой, цветом. Так вот, на самом деле нет – физические характеристики появляются только в момент проведения опыта по их обнаружению. До того в природе не существует никаких материальных свойств этого предмета. Нет привычных нам свойств материи, она создаётся в момент эксперимента, для этого всегда нужен наблюдатель, сознание. Яркий пример – распиаренный кот Шрёдингера, он либо живой, либо мертвый, и в коробке он находится в суперпозиции – и живой, и мертвый одновременно. А когда ящик открывается, состояние схлопывается либо в одно состояние, либо в другое. На этом и основаны опыты, пытающиеся выяснить, не в симуляции ли мы живём. Человек не в состоянии это представить, это не человеческая логика. И квантовый мир в принципе невозможно симулировать на компьютере с помощью обычной человеческой логики. 

Искусственный интеллект тоже не может осознать эту логику?

Нет, это вообще не математическая логика, нет закона исключённого третьего, это не привычная нам Аристотелева логика. Главное свойство квантового мира – не существует жёстких законов в привычном нам понимании. Всё, что мы можем сделать, – рассчитать волновую функцию и с помощью неё узнавать некие вероятности процессов. То есть не точное нахождение частицы, а с какой вероятностью она может находиться в конкретном месте. Классическая частица болтается в какой-то потенциальной яме, а вот квантовая может оказаться по ту сторону потенциального барьера, хотя по всем законам у неё энергии не хватит, чтобы этот барьер преодолеть. Ещё одна загадка для обычного человека, но с точки зрения физики здесь нет вообще ничего загадочного. Вы будете удивлены, но эти данные вековой давности. 

Вот пример – на полупроводниковых диодах базируется вся микроэлектроника. Есть в физике понятие обратный ток, и обратный ток – это и есть переход через потенциальный барьер. Частицам там быть не положено, но они там есть. Обратный ток паразитный, мы хотим его выпрямить, но пока не получается. Это проявление квантового поля, с которым вы сталкиваетесь каждый день в своём смартфоне.

Перельман доказал гипотезу Пуанкаре и потратил на это 8 лет. Стоят ли перед наукой в целом и квантовыми вычислениями в частности подобные задачи? И почему нельзя поручить это ИИ – он всё-таки ещё не может этого?

Такие задачи, как решал Перельман, известны математикам всего мира. Целые фильмы снимают о таких задачах тысячелетия – недавно смотрел такой о доказательстве теоремы Бернштейна, гласящей, что любое нечётное число – сумма трёх простых чисел. Это гипотеза, и её нужно доказать. Эта и другие гипотезы собраны в списке «Проблемы Гильберта» – их там 23. Часть решена и доказана, часть нет. Это великие проблемы всего математического сообщества, и на них базируется многое из того, что нас окружает, хотя на первый взгляд так и не скажешь. Например, гипотеза о нулях дзета функции Римана. Многие математические задачи опираются на эту гипотезу. Есть задачи, которые формулируются очень просто и их поймёт даже первоклассник, но решать такие задачи человек не умеет. 

Вот пример – составное число N, которое есть произведение двух простых чисел. Например, 77 – это 7 умножить на 11. Вот теперь представьте, что вам известно это 77, ваша задача – найти его делители. Задача понятна любому, но её до сих пор не решили. И на сложности решения этой задачи базируется, например, электронно-цифровая подпись, безопасность криптосистем. 

Одно из высочайших достижений квантовых вычислений и квантовых компьютеров – это алгоритм Шора для разложения числа на простые множители. И если мы построим большой квантовый компьютер и запустим этот алгоритм, то эту задачу сможем решить. А это значит, что все банковские перечисления становятся доступны всем, фактически это взлом всех криптопротоколов. Сейчас достижение человека – разложение на сомножители числа 15.

И всё? Звучит очень просто! 

Звучит смешно для обывателя. но это достижение, потому что это сделано алгоритмом Шора с помощью квантового компьютера, а он далеко не прост. Если суперкомпьютер будет считать миллионы лет, то квантовый компьютер сделает это за секунды. Причём он не будет вычислять что-то, это выглядит так: приходит лаборант, какие-то ручки крутит, нажимает кнопку, производит измерения – не повезло. Снова вводит данные – и на какой-то раз везёт. С точки зрения теории вероятности, вероятность успеха 0,001 – это много или мало? Это много, ведь лаборант проделает тысячу опытов по 10 в день и найдёт решение. А обычный компьютер будет перебирать варианты миллионы лет. Когда разложили число 15 на сомножители, квантовый компьютер имел 4 ячейки памяти – кубита. А если у него будет 300-400 кубитов, тогда он сможет не 15 разложить на сомножители, а те числа, которые используются в реальности.

Но ведь максимум сейчас для российских ученых – квантовые компьютеры в 50 кубитов?

Есть и на 75, и на 100, но все гораздо сложнее. Нужно не только создать эти кубиты, нужно их сохранить – они живут тысячную долю секунды, постоянно разрушаются, и их нужно изолировать. Для квантового устройства подходят не все алгоритмы. Компьютеры трудно сравнивать между собой: они могут превосходить друг друга по количеству кубитов, но уступать по другим признакам. Да и не всякую задачу можно поручить компьютеру. Квантовые вычисления как область науки как раз и пишет эти алгоритмы по определенным правилам.

То есть человек все равно умнее любого квантового компьютера?

Я вам больше скажу, есть гипотеза, что мозг человека – это и есть квантовый компьютер. Есть такой знаменитый математик и физик Роджер Пенроуз. Он написал популярную книгу «Последний ум короля», где рассуждает о квантовых компьютерах и вычислениях. Там он высказывает эту гипотезу, приводит аргументы, физиологические и физические – например, когерентность нейронов, когда они работают синхронно. 

Значит, вначале было не слово, а цифра?

Знаете, любая громкая фраза неверна по определению. (смеётся.) Я вот очень люблю Пуанкаре, действительно был гений. Он писал в том числе и о том, что нельзя представлять математику как логический вывод теорем. Такое тоже бывает – Евклидова геометрия, например, но далеко не всегда. Есть такая теорема Гёделя о неполноте. Если грубо – можно сформулировать, основываясь на аксиомах, существуют утверждения, которые в рамках аксиом нельзя ни доказать, ни опровергнуть. То есть говоря проще – есть истины, которые мы не можем ни доказать, ни опровергнуть. 

И возникает вопрос – откуда берутся новое знание и открытия? Все математики говорят, что эта истина возникает просто как вспышка. Она возникла из ниоткуда, а затем человек тратит время и силы, пытаясь её доказать. Математическое знание не выводится логическим путём, это не путь дедукции. Если учёный её докажет, это будет теорема. Не докажет – так и останется гипотезой. Но истину он узрел сразу же. Поэтому многие математики обращаются к богу.

Ваш главный научный интерес – квантовая физика. Какую научную проблему вам хотелось бы решить?

Я не математик и не физик, я нечто среднее. У меня физическое образование, но по роду деятельности я математический физик, специализируюсь на квантовой теории поля и диссертацию писал по этой теме. Физика без математики не существует, и даже ученые степени физико-математические. А главной проблеме квантовой физики, которую хотелось бы решить, ровно век. Была создана квантовая теория поля, и практически одновременно была создана теория гравитации, смысл которой заключается в том, что гравитации нет как таковой. Есть искривленное из-за материи пространство-время. Квантовая теория поля и теория гравитации существуют параллельно, и нужна теория, которая объединяет оба этих учения. Это единая теория поля или теория квантовой гравитации. Человечество, начиная с Эйнштейна, работает над этим. Весь 20-й век ушел на это, и сейчас идут попытки создания единой теории. Это и теория суперструн, и петлевая теория гравитации, но пока что не удаётся даже ухватить принципы, на которых эта теория вообще могла бы существовать. Речь не идёт об описании реального мира, нужна хотя бы математическая конструкция, в которой уживались бы эти две теории. Поэтому и придумываются десятимерные пространства, 11-мерные… 

А с точки зрения квантовой физики - сколько измерений в пространстве?

По разным теориям по-разному. Ещё одна математическая байка: вот, например, учёные, которые занимаются квантовой теорией поля, не могут спокойно слышать число 26. Я был на конференции, где геометр делает доклад и называет число 26. И тут внезапно все просыпаются – откуда взялось число 26?! Число 26 – это размерность пространства-время, которая получается в теории суперструн. Это уже игра в фантастические миры. Сначала мы строим фантастический мир – как шутят физики, сферический конь в вакууме – а потом мы эту модель начинаем приземлять, чтобы поместить туда нашу Вселенную. И пока таких конструкций, которые бы удовлетворили всех, нет.

Наверное, и не появится таких – обязательно найдётся энтузиаст, который знает, как лучше?

Честно говоря, время энтузиастов прошло. Сейчас настолько много информации в сети, в частности, по квантовой теории поля, что нет человека, который бы мог сказать: Я физик-теоретик, я занимаюсь квантовой теорией поля. Ему скажут – это не профессионал. Квантовая теория поля разбита на много областей, и там работают научные группы. Одному человеку понять всю область и выдвинуть конкурирующую теорию невозможно. Нужно быть одновременно гением и энциклопедическим умом, чтобы все это знать.

А были такие?

Был такой Лев Ландау, известный советский учёный. Он гордился тем, что знал всю теоретическую физику. Считается, что он был последним, кто мог так сказать. Он был автором теоретического минимума по физике, состоящего из 11 экзаменов, его сдавали знаменитые доктора наук и профессора. В итоге только 50 человек за всю историю смогли сдать этот экзамен. Все они впоследствии стали академиками и знаменитыми учёными. Про Ландау впоследствии говорили, что он просто рано умер. Проживи ещё лет 10-20, он не смог бы сказать так не то что про всю теоретическую физику, а даже только про квантовую теорию поля. В его годы квантовая теория поля только начала развиваться, сейчас она расширилась и на профессиональном уровне её сложно изучить в деталях. 

Человечество вступило в эпоху узкой специализации, и научные группы в изучении конкретного направления рулят. Математики больше индивидуалисты, они могут работать и по одиночке. Вообще по большому счёту математики сумасшедшие люди (смеётся.).

Есть сейчас такие «сумасшедшие» в нашем городе? Насколько сильна омская школа математики?

В Омске есть филиал Института математики Сибирского отделения Российской академии наук, когда-то там работал Владимир Ремесленников, Виталий Романьков, большие учёные, столпы омской физико-математической школы. Недавно эти люди ушли из жизни, к сожалению. С теоретической физикой примерно также. Базовый вуз для физиков-теоретиков классический вуз – ОмГУ, физический факультет, деканом которого я был одно время с 1998 по 2001 год. Геннадий Адеев там работал, он занимался ядерной физикой, у него была своя школа. Был Владимир Прудников, оба они тоже ушли из жизни в последние годы. 

Значит, нам нужны новые таланты? Как заинтересовать детей, чтобы они шли в математику?

Нужны книги, популяризирующие математику, публичные лекции. Олимпиады для школьников тоже способствуют развитию интереса у детей. Но в первую очередь учитель должен быть увлечённым, рассказывать не только то, что есть в учебнике, но и многое другое.

Например, нужно рассказывать о гениях – был такой Эрнест Галуа, который в 24 года написал сочинение, где ввёл понятие группы, сейчас это теория групп, на которой базируется физика элементарных частиц. Он написал теорию, названную впоследствии его именем, и вскоре погиб на дуэли. Основа его теории – поля Галуа, числовые поля. Этими полями вы пользуетесь каждый раз, когда оставляете цифровую подпись. Это всё должен рассказывать школьный учитель – начать с баек об известных открытиях, чтобы разжечь интерес к математике и физике. 

Излюбленный довод тех, кто не любит математику: она в жизни мне не пригодится. Так действительно ли математика нужна всем?

Ко мне на лекции приходят студенты – на лекции по информационной безопасности. А мне приходится, кроме криптографии, читать теорию информации, логику. И они спрашивают – зачем? И я отвечаю: задайте себе вопрос, хорошо ли быть умным? Чтобы стать сильным, вы идёте в спортзал. А чтобы стать умным? Так и получается, что лучшего способа развить мозг, чем математика, человечество ещё не придумало. 

Когда мы растём, у нас в голове появляются стереотипы, рамки. Они мешают свободному мышлению. Вот как возникла неевклидова геометрия? Просто кому-то пришло в голову, что один из постулатов Евклидовой геометрии необязателен, что можно построить непротиворечивую геометрию без него. Аксиома Евклидовой геометрии – через точку можно провести единственную прямую, параллельную заданной. И эта аксиома, оказывается, не нужна, можно создать много геометрий, где эта аксиома не выполняется – геометрия Лобачевского, например. И это привело к созданию теории гравитации. Человек, придумавший её, просто вышел за рамки! 

Получается, математика – универсальный тренажёр для мозга и расширения сознания?

Да, и преподаватель должен своим примером показать способ мысли, как именно нужно выходить за рамки. Вы открываете научную книгу – уже на третьей странице ничего непонятно. Через год та же книга читается легко и свободно. Что изменилось? Изменился я, я перенастроил своё мышление. Преподаватель нужен не для того, чтобы дать знания, а чтобы показать, как человек мыслит, чтобы студенты переняли образ мысли. 

Чтобы изучать математику, вовсе не нужно быть гением. Вся математика выводится из первооснов. Вот тригонометрия – мне достаточно помнить одна простую формулу, из которой выводятся все остальные, это формула Эйлера. Если у вас быстрые мозги и некоторые способности к математическим рассуждениям, вы можете вывести с нуля любые утверждения. Если вы знаете, что такое угол и прямая, вы вполне можете вывести всю Евклидову геометрию. Гении – ну не то чтобы гении, а люди с квадратными головами, я их так называю – могут и слабые места в теории найти.

Андрей Райгородский на лекции в Омске говорил, что математика – как музыка. Леонардо да Винчи был и математиком, и художником одновременно. А что для вас математика?

Математика в первую очередь это творчество. Ещё по большому счёту это здравый смысл. Когда привлекаются математические методы для любой задачи – например, оптимизировать движение на дорогах, составить расписание без окон – это прикладная математика, а есть фундаментальная. Чистая математика – это вынос мозга, она очень далека от жизни, это все, что человек может нафантазировать.

Эти и другие статьи печатного журнала «Трамплин. Возможности» в электронном виде можно почитать на сайте

Автор: Ирина Баландина

Фото: Никита Кудрявцев