Челябинский ученый разработал математический аппарат для создания квантового компьютера

Над созданием квантового компьютера сегодня ломают голову лучшие умы человечества, но, по отзывам экспертов, пока неясно, будет ли ответ этой задачи найден в обозримом будущем. Для ее решения предложен новый подход — математическая теория, приближающая нас к реализации идеи квантового компьютера. Сегодня наш собеседник — автор идеи, профессор кафедры общей и теоретической физики ЮУрГУ Сергей Подошведов, недавно защитивший на эту тему докторскую диссертацию по квантовой информатике.

«Машина времени»

— Что такое квантовый компьютер, и что его создание может дать человечеству?

— К сожалению, сегодня квантовый компьютер — это только идея, гипотетическое устройство. В обычных компьютерах информация хранится в битах — нулях или единицах, а в квантовых — в кубитах. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу. Благодаря этому теоретически квантовый компьютер может работать в миллионы раз быстрее.

Как понятно из названия, квантовый компьютер использует базовые правила квантовой механики.

В привычном нам макроскопическом мире все подчиняется классическим законам физики, а в микромире, живущем по законам квантовой механики, они нарушаются сплошь и рядом. Например, частица может находиться в суперпозиции — сразу в двух и более базисных состояниях, на понятном языке как бы раздваивается. Квантовая частица может находиться от своего «двойника» на огромных расстояниях, даже быть в суперпозиции в прошлом, настоящем и будущем одновременно. Не исключено, что в перспективе этот феномен будет использован при создании машины времени.

Быстрее света

— Другой парадоксальный момент — квантовая телепортация…

— Это вовсе не фантастика. Квантовую телепортацию экспериментально подтвердил знаменитый австрийский физик Антон Цайлингер. По квантовому каналу информация о фотоне передается мгновенно, в миллионы раз быстрее скорости света. Это уже подтверждено лабораторными группами, правда, пока только на уровне микромира, и механизму этого явления еще не найдено научное объяснение.

— Значит, мечта о межзвездных полетах на немыслимых скоростях — не такая уж и фантастика? Возможно в отношении этих открытий практическое применение?

— Пока это из области фантастики, поскольку мы — макрообъекты. И я бы хотел отметить, что мгновенно передается квантовая информация, а не сам объект. В начале 90-х родилась новая наука — квантовая информатика, которая изучает эти явления. От нее уже «отпочковались» такие направления, как квантовая криптография, стартовавшая со статьи доктора Чарльза Беннета из компании IBM и его коллег — соавторов о квантовой телепортации.

Впрочем, возможности применения этих ноу-хау практически безграничны. Это передача секретного ключа с использованием правил микромира. В теории взломать такой кодовый ключ и остаться незамеченным невозможно в принципе. Уже появились такие науки, как квантовая биология (о некой информационной модели живых организмов), квантовая литография (о микросхемах на субатомном уровне). А вот создание квантового компьютера позволит взломать любые классические коды, и у финансистов и военных уже не будет секретов.

«Квантовый перенос» по-корейски

— Как вы пришли к пониманию «квантового скачка» материального мира?

— Когда‑то я начинал в ЮУрГУ как экспериментатор в оптической физике. А в 2001 году по приглашению коллег из Южной Кореи на 10 лет переехал в эту страну, где занимался исследованиями в области квантовой информатики. В течение этого времени сотрудничал с университетом Инха, с институтом КИАС в корейской столице и Сеульским национальным университетом. Довелось поработать с учеными мирового уровня, такими как Кишик Ким, Хенсик Джанг и Джаеван Ким. Не так давно, в 2013 году, Джаеван Ким и Кишик Ким приезжали в Челябинск, договорились о научном сотрудничестве с ЮУрГУ.

Еще в Корее я задумался, почему существует граница между макро- и микромиром, где начинается один и заканчивается другой. Впервые о перемещенных состояниях услышал в КИАСе, на одном из семинаров. Интересно было бы посмотреть на то, как макрообъект стал квантовым и смог бы реализовать те возможности, которые есть у микрообъектов, таких как фотон и электрон.

Не «гнать волну»

— В СМИ поднялась шумиха, что  канадскими учеными якобы создан квантовый компьютер D-Wave, решающий поставленные задачи в 100 миллионов раз быстрее, чем обычный…

— На мой взгляд, это что‑то другое. Квантовых компьютеров, которые способны решать любую задачу, пока не существует. Вероятно, в работе D-Wave (двойная волна) участвует квантовое явление, а если точнее, так называемый туннельный эффект. Но вряд ли системе D-Wave суждено совершить настоящую революцию в квантовых вычислениях. К такого рода сенсациям нужно подходить осторожно, не выдавая желаемое за действительное. Сейчас над этой мегапроблемой работают всемирно известные академические лаборатории, например, под руководством Джона Мартиниза в университете Санта-Барбары и Криса Монро в университете Мэриленда.

— Этой теме посвящена и ваша докторская…

— Вернувшись из Кореи на родину, я продолжил эту работу. Джаеван Ким выступил моим научным консультантом при проведении исследований, положенных в основу докторской диссертации. Он был одним из тех, кто предложил руководству ЮУрГУ попытаться войти в Проект 5—100, вместе с нашим ректором ездил на научную конференцию во Владивосток, где рассматривались эти заявки. Добавлю, что я тоже подал заявку на получение гранта в рамках этой программы — на дальнейшие исследования по созданию квантового компьютера.

Мост в микромир

— А что уже сделано в России? Почему ваше открытие называют прорывом в науке?

— Одна из главных проблем создания квантового компьютера — математическое обоснование взаимодействия между макро- и микромирами. Связующее звено, некий «мостик» между ними я и попытался построить, разработав математическую теорию создания такого компьютера в оптическом диапазоне. Выясняя природу этого явления, я предложил математический аппарат, в основу которого была положена так называемая матрица преобразований, связывающая произвольные наборы перемещенных состояний света, другими словами, макро- (видимые глазом) и микро- (не видимые глазом) состояния.

Этот математический аппарат позволяет открывать новые возможности для изучения гибридных состояний. На базе гибридных состояний могут быть реализованы квантовые гейты — кирпичики квантового компьютера. Если квантовый компьютер и будет создан в будущем, то, скорее всего, на гибридных состояниях.

— Каков «реальный продукт», который можно получить из подобных исследований?

— Например, можно передавать информацию на расстояние по линиям телефонной и интернет-связи по квантовому протоколу. Протокол квантовой криптографии — это первый коммерческий «продукт» новой науки. Для этого нужно применить метод квантового кодирования информации. Подобные проекты уже запускают в Москве, Казани… В столице Татарстана планируют создавать такую телефонную связь, которая работала бы на основе квантового протокола. Я предложил внедрить это ноу-хау и в Челябинске, предварительно опробовав его в ЮУрГУ. В перспективе, думаю, вполне реально создать и всеобъемлющий квантовый интернет. Единственный минус этой системы в том, что использование квантового протокола пока позволяет передавать закодированную информацию на небольшие расстояния — до 200 километров. Но думаю, эта проблема будет решена. Не сомневаюсь и в том, что создание квантового компьютера лишь вопрос времени.

P.S. Об огромном интересе к открытию Сергея Подошведова свидетельствует такой факт. После публикации в американском научном журнале его статьи на эту тему автор стал получать рецензии и отзывы от ученых с мировым именем, отметивших высокую значимость его исследований. Ему как создателю математического «квантового аппарата» рекомендуют использовать ноу-хау в педагогических целях — изложить его механизм в научном пособии или вузовском учебнике.