Квантовый фронтир
Занимательно о сложном
Ни для кого не секрет, что общая для всех высокотехнологичных отраслей «болезнь роста» — дефицит кадров. Проблема квантовых технологий осложняется тем, что даже выдающиеся ученые современности считают эту предметную область не просто мало изученной, но и, что важнее, крайне трудной для понимания. Но как в таком случае заинтересовать этой темой школьника или студента и убедить его связать с ней свою карьеру? Атомные практикумы ИЦАЭ «Квантовые технологии» — попытка ответить на этот вызов и взглянуть на сложную академическую задачу как на увлекательное интеллектуальное приключение. Получилось ли? Об этом читайте в нашем материале.
Кубиты наполняют паруса
Древние финикийцы вряд ли хорошо представляли себе природу ветра и были знакомы с физическими принципами, удерживающими их суда на воде. Но это не помешало им стать величайшими мореплавателями Древнего мира, чьи корабли побывали во всех уголках тогдашней ойкумены.
Что-то подобное происходит сейчас с квантовыми технологиями. Мы, прямо скажем, пока очень мало знаем о том, почему в квантовом мире все устроено именно так. Но даже такого ограниченного понимания уже достаточно, чтобы конвертировать эти знания в технологии, которые, как ожидается, позволят перевернуть представления о целых областях человеческой деятельности — от банковского дела и логистики до создания систем искусственного интеллекта.
Одна из таких областей — квантовые вычисления. И если четыре десятка лет назад квантовый компьютер был пусть и очень остроумной, но все же «бумажной» концепцией, то новости науки последних лет вселяют уверенность: рабочий квантовый вычислитель в «железе» мы увидим уже в следующем десятилетии.
Особенно урожайным стал 2024 год, который буквально начался с того, что компания IBM анонсировала появление своего сверхпроводящего чипа на 1121 кубит. «Система крайне интересная, и, безусловно, это важное достижение для области квантовых вычислений, — считает Дмитрий Чермошенцев, руководитель научной группы в «Росатом Квантовые технологии» и старший научный сотрудник Российского квантового центра.
«Однако количество кубитов не является единственной мерой успеха. Помимо их количества важна еще точность работы с ними, то, что называют достоверностью однокубитных и двухкубитных операций. И этот показатель пока не на высоте. Более того, чем больше массив частиц, тем сложнее связывать их и управлять ими и, как следствие, ниже точность операций», — подчеркивает эксперт.
Но на помощь уже спешат технологии, которые эту проблему позволяют обходить. Одна из них — квантовый интерконнект, система, которая позволяет связывать различные квантовые вычислители, находящиеся на расстоянии. Другой подход предполагает использование специальных материалов и тщательно подобранную геометрию фотонных чипов. Например, прототип компании PSI Quantum, представленный в прошлом году, продемонстрировал достоверность более 99% при переносе квантового состояния с одного чипа на другой.
Не менее интересных результатов добились в 2024 году и в разработке алгоритмов. Многим известен алгоритм Шора — один из первых квантовых алгоритмов, разработанный в 1994-м ученым Питером Шором. «Появление такого алгоритма разложения чисел на простые множители, который может быть имплементирован на квантовом компьютере, означает конец современных протоколов защиты данных», — поясняет Дмитрий Чермошенцев. Правда, для факторизации тех чисел, которые представляют сейчас угрозу для современных криптографических протоколов, необходимы миллионы кубитов, что сейчас является недостижимо большим числом. Однако в последнее время вышло несколько работ, в которых убедительно доказывается, что для решения этой задачи требуется существенно меньшее число кубитов, чем предполагалось ранее. «Паниковать все еще рано, но «красные линии» квантовой криптографической угрозы, согласитесь, становятся все различимей», — полагает эксперт.
Наконец, стоит отметить работы, посвященные демонстрации так называемого квантового превосходства. «Это такой «святой Грааль» квантовых вычислений — доказательство способности квантового компьютера решить какую-то задачу эффективнее и быстрее, чем на любой из существующих традиционных машин. В прошлом году появился ряд важных работ о возможности достижения квантового превосходства даже не на настоящих квантовых вычислителях, а на том, что называется «квантовые симуляторы». Устройства эти доступны уже сейчас, а значит, мы сделали огромный шаг к коммерческому использованию квантовых вычислений», — отмечает Дмитрий Чермошенцев.
Впрочем, российским ученым тоже есть чем похвастаться. Так, в 2024 году в России была выполнена первая часть дорожной карты государственной программы по квантовым вычислениям. В 2019 году у нас был всего один сверхпроводящий квантовый компьютер на двух кубитах. Сейчас компьютеров не менее четырех, причем реализованных на всех известных технологических платформах: на сверхпроводниках, на фотонах, на ионах, на атомах. Например, у нас есть 50-кубитный квантовый компьютер на ионах, есть прототип 50-кубитного вычислителя на атомах. Таким образом, утверждает эксперт, Россия входит в тройку стран, у которых есть квантовые компьютеры на всех четырех платформах, вместе с Китаем и США. «Это действительно вселяет оптимизм, ведь мы стартовали, имея отставание от лидеров в 15–20 лет, и «пробежали» этот путь за считаные годы», — говорит Дмитрий Чермошенцев.
Язык до квантовой механики доведет
Несмотря на все успехи, эксперты бьют тревогу: дальнейший прогресс в области квантовых технологий может застопориться из-за дефицита кадров. Причин тому масса: от нехватки междисциплинарных программ, объединяющих физику, математику, информатику и даже философию, до высокой стоимости оборудования для квантовых исследований и слабой интеграции частного сектора в образовательные проекты. Впрочем, некоторые эксперты, например Артем Воронов, основатель стартапа QApp, вообще утверждают, что молодые разработчики просто боятся идти в компании, занимающиеся квантовыми технологиями, считая их слишком сложными.
С этим сложно спорить. Так, Максим Гревцев, заместитель программного директора ИЦАЭ, отмечает, что идея разработать специальное занятие для школьников по квантовым технологиям появилась еще в 2022 году. «Но материал оказался очень неподатливым. Сложно подобрать интонацию, которая сделала бы его увлекательным. Поэтому первых участников наш атомный практикум «Квантовые технологии» принял только в прошлом году», — объясняет Максим Гревцев.
Выход нашли в том, чтобы подбираться к рассказу о квантах не со стороны науки, а со стороны культуры и языка. Занятие строится вокруг нескольких категорий квантовой физики, которые так или иначе на слуху, существуют в сфере повседневной культуры в форме сюжетной основы для книг, комиксов или игр, шуток или мемов. Почему так? «Именно это цепляет. Мы понимаем, что для школьников стремление понимать, чтобы быть «в контексте», куда более сильная мотивация, чем стремление разобраться, чтобы понимать», — говорит Максим Гревцев. Другими словам подросток скорее постарается разобраться, почему все смеются над очередным мемом с «котом Шрёдингера», чем сделает это из абстрактного желания узнать, как все устроено вокруг нас.
Основу атомного практикума ИЦАЭ «Квантовые технологии» составляют четыре якорных понятия: «суперпозиция», «корпускулярно-волновой дуализм», «принцип неопределенности Гейзенберга» и «квантовая запутанность». Именно они сегодня превратились в своеобразных амбассадоров квантовых технологий в массовой культуре. Дальше — проще. «Наша аудитория — школьники. И это, как ни странно, несколько упрощает задачу, потому что они хотя бы имеют представление о ньютоновской физике, описывающей макромир, то есть те объекты, которые мы можем увидеть своими глазами: людей, машины, дома, планеты и т. д. Мы отталкиваемся от того, что классическая физика интуитивно понятна, и объясняем, что квантовый мир контринтуитивен», — поясняет Максим Гревцев.
Теоретические блоки, посвященные каждому понятию, перемежаются рассказом о практическом применении квантовых технологий и практическими задачами. Они могут быть простыми и забавными. Например, сделать котика в технике оригами и раскрасить его, что позволяет мозгу расслабиться, переключиться на мелкую моторику. Впрочем, есть задачи и посложнее. Например, одна из проблем, которую помогут решить квантовые вычисления, — оптимизация логистики в большом городе. «Помните «Задачу трех тел», наделавший шуму в прошлом году роман китайца Лю Цысиня? В мегаполисе она превращается в задачу «трех миллионов тел»: как оптимально перенаправить транспортные потоки, где разместить переходы и транспортные развязки, — рассказывает Максим Гревцев. — Мы объясняем, что такого масштаба и сложности калькуляции под силу только квантовому компьютеру. И в качестве иллюстрации предлагаем решить ставшую классической задачу на маршрутизацию про четырех туристов, которым необходимо переправиться через небольшой подвесной мост в горах».
Атомный практикум «Квантовые технологии» от ИЦАЭ не стремится, да и при всем желании не сможет заменить уроки физики в школе. У этих занятий совсем другая задача. «Последнее, что мы обсуждаем на нашем атомном практикуме, — слова Ричарда Фейнмана, выдающегося физика и нобелевского лауреата: «Смело могу утверждать: квантовую механику не понимает никто». А значит, бояться не надо. Да, это очень сложный, почти необъяснимый мир. Но именно это превращает знакомство с ним в отвязное интеллектуальное приключение», — считает Максим Гревцев.
«Там, внизу, еще много места»
Судя по отзывам участников практикума по квантовым технологиям, который прошел в ИЦАЭ Нижнего Новгорода, сделать это, скорее, получилось. «Мне после посещения атомного практикума, посвященного квантовой физике, невольно вспомнился один эпизод из романа братьев Стругацких «Полдень, XXII век». Чтобы удержать своих подопечных от побега из школы, учитель как бы невзначай рассказывает им о загадке, над которой безрезультатно бьются поколения ученых, — «блуждающие огни на болотах». В один миг забыта идея пробраться в космопорт: ребята с головой уходят в разработку планов изучения новой проблемы», — отметила Зоя Князева, преподаватель Нижегородского техникума транспортного обслуживания и сервиса. «Эта маленькая история много о чем. В том числе о том, как много приключений в нашей жизни, достаточно просто найти правильные слова», — добавила она.
Вообще, проблема общего языка нынешних поколений преподавателей и учащихся — едва ли не самая обсуждаемая в профессиональном сообществе. Очевидно, что цифровизация, способы потребления информации, да и просто ее объемы требуют выработки новых приемов преподавания. Да, сама по себе академическая подача материала никуда не денется. Но учитель сегодня — уже не просто носитель знания, а еще и лоцман, который должен в этом море знаний ориентироваться и направлять студентов. «Главное, что у ребят из ИЦАЭ, на мой взгляд, получилось, — это выбрать верную интонацию, верную оптику в подаче материала. Реакция ребят в ходе самого занятия, да и обсуждение его после завершения — лучшее тому подтверждение», — отметила Зоя Князева.
«Не могу сказать, что физика — мой конек, — поделился своими впечатлениями один из учеников колледжа — участник атомного практикума «Квантовые технологии». — Хотя, признаю, что во всей этой стройности математических формул, сложной архитектуре законов и принципов есть своеобразная поэзия. Но здесь ведь и разговор был вроде бы не про физику. Или не столько про физику. Мы поговорили про квантовые компьютеры и шифрование, порешали задачки про маршрутизацию, поговорили о том, какие компании и как обеспечивают сегодня отечественный приоритет в области квантовых вычислений. Но меньше всего я ожидал, что после завершения занятия у меня останется ощущение, будто сезон увлекательного сериала оборвался на самом интересном месте».
У человечества крайне противоречивые отношения с непознанным. С одной стороны, именно здесь, во мраке неизвестности, рождаются наши самые большие страхи. И она же манит нас вперед, заставляет раздвигать границы ойкумены. Впрочем, сегодня новый фронтир — это освоение не только космоса, но и микромира квантовой физики. Как говорил уже упоминавшийся Ричард Фейнман: «Там, внизу, еще много места». А значит, и приключений хватит на всех.
