Параллельный мир доктора Кима. Корейский ученый в Челябинске предложил модель квантового компьютера

Это одна из научных мегазадач XXI века, которую пытаются решить лучшие ученые мира. Это и стало главной темой нашего разговора с побывавшим на днях в Челябинске мировым авторитетом в сфере квантовой информатики, членом Международного научного совета ЮУрГУ доктором Джейваном Кимом, и.о. президента южнокорейского Института перспективных исследований (KIAS).

Эффект Цайлингера

— Доктор Ким, что такое квантовый компьютер и как вы пришли к идее его создания?

— В существующих 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. Причем в микромире, живущем по законам квантовой механики, частица может быть в суперпозиции — сразу в двух и более базисных состояниях, как бы «раздваивается». Математический расчет показывает, что квантовая частица может находиться от своего «клона» на гигантских межзвездных расстояниях. И, как в безвременном «параллельном мире», даже быть в суперпозиции в прошлом, настоящем и будущем одновременно.

Идея создания компьютера будущего родилась у меня еще до того, как австрийский физик Антон Цайлингер экспериментально доказал возможность квантовой телепортации. О таком гипотетическом устройстве ученые задумались в начале 90-х, когда появилась новая наука — квантовая информатика. Из нее выделились такие направления, как квантовая криптография, начало которой положила статья о квантовой телепортации доктора Чарльза Беннета из компании IBM.

— Но без колоссального багажа знаний невозможно прийти к пониманию этих сложнейших процессов.

— В свое время я окончил Сеульский национальный университет, получил докторскую степень в американском университете Хьюстона. Занимался компьютерным моделированием в компании «Самсунг Электроникс», работал в Корейском институте передовых технологий и искусств, Институте перспективных исследований (KIAS).

Сфера моих научных исследований связана с квантовой информатикой, необычными процессами, происходящими в микромире и возможностью их применения в нашем макромире. К примеру, с телепортацией человека пока мы сталкиваемся лишь в фантастических фильмах, но, вполне возможно, завтра она может стать реальностью. Итальянские физики уже проводят такие эксперименты с элементарными частицами, и вполне успешно.

Мы изучаем, может ли макрообъект стать квантовым, получить те же сверхвозможности, что у элементарных частиц. От этого во многом будет зависеть, обретет ли человечество телепортацию, способность к межзвездным перелетам, а возможно, и путешествиям во времени...

«Русский след» в квантовом мире

— А каков вклад российских ученых? Что связывает вас с Россией?

— Когда-то, еще студентом, я во время обучения в летней школе во Франции познакомился с замечательным русским ученым, профессором Борисом Чириковым из Новосибирского госуниверситета. Уже тогда он занимался исследованиями «нелинейного мира» и сделал немало интересных открытий. Та встреча во многом подвигла меня к изучению законов квантовой вселенной. Я познакомился и с учеником Чирикова — тогдашним студентом Дмитрием Шепелянским, который продолжил его исследования в Новосибирском институте ядерной физики, а затем в Израиле.

В свое время, когда работал в компании «Самсунг Электроникс», мне доводилось контактировать с российскими учеными из Курчатовского института, и мы многое взяли себе для моделирования электроники, изучения природы виртуального мира.

— Сотрудничаете ли с учеными Челябинской области?

— Я более пяти лет проработал в КIАS с профессором ЮУрГУ Сергеем Подошведовым, и я высокого мнения о его работах по квантовой оптике. Еще в 2001 году он переехал в Южную Корею, где занимался исследованиями в области квантовой информатики. Подошведов 10 лет сотрудничал с университетом Инха, Сеульским национальным университетом и нашим институтом KIAS. А вернувшись в Челябинск, защитил докторскую диссертацию по квантовой информатике. К слову, я выступил научным консультантом Подошведова при ее подготовке. Он внес большой вклад в исследование квантового мира, разработав ключ от квантового компьютера — математическую теорию, которая основывается на взаимодействии между макро- и микроквантовыми состояниями.

Войти в пятерку

— Появились ли у челябинцев открытия в смежных науках?

— Я с большим интересом ознакомился и с работами доктора физико-математических наук Наталии Кундиковой. Она исследует процессы, происходящие на стыке квантовой информатики, нелинейной оптики и лазерной физики, такие как проявление спин-орбитального взаимодействия фотона, поляризация света в нано- и микроструктурах. А профессор ЮУрГУ Александр Мирзоев добился больших успехов в компьютерном моделировании атомной структуры металлов.

— А каково ваше мнение о научной школе Южного Урала?

— Уровень ее очень высок, особенно в научно-технической сфере. К примеру, в арсенале ЮУрГУ мощные суперкомпьютеры, на которых можно вести виртуальное моделирование на атомном уровне. Мы уже давно сотрудничаем с этим вузом, я не раз участвовал в проходивших в Челябинске научных форумах. В 2013 году с моим коллегой-земляком Кишик Кимом приезжал в ваш город, и мы договорились о расширении сотрудничества с ЮУрГУ.

А недавно я побывал на научной конференции во Владивостоке, когда решался вопрос о запуске всероссийского проекта «5/100» — о вхождении вузов в пятерку лучших по России и в золотую сотню мировых лидеров высшего образования. Я выступил в качестве эксперта и порекомендовал включить ЮУрГУ в число претендентов на участие в этом проекте. А теперь в числе других зарубежных ученых вошел и в созданный здесь международный научный совет.

Ионная ловушка

— И все-таки, вы верите, что квантовый компьютер будет создан?

— Прогресс в электронике продвигается стремительными темпами. Будут ли для создания компьютера будущего использоваться некие квантовые проводники или ионные ловушки, пока неясно, но в том, что он будет изобретен, я уверен, это лишь вопрос времени.

— Известно, что микромир описывается законами квантовой механики...

— Однако выделить изолированную квантовую систему крайне сложно, поэтому исследования, проводимые в XX веке, ограничивались группами с большим числом квантовых частиц. А теперь появилась возможность изолировать квантовые системы от внешнего мира и контролировать их эволюцию. Экспериментальные методы нобелевских лауреатов Дэвида Уайнленда и Сержа Ароша позволяют управлять состоянием атомов с помощью одиночных фотонов, и наоборот.

Думаю, это первый шаг к созданию вычислительных устройств нового типа — компьютеров и систем связи, использующих принципы квантовой механики для обработки информации. Речь идет об исследованиях возможности физической реализации квантовых вычислений на основе квантовой электродинамики резонаторов, ионов и нейтральных атомов в ловушках.

Кластерная модель

— А есть ли реальная польза от этих открытий? И могут ли возникнуть свои проблемы?

— Практическое применение открытий Уайнленда и Ароша, доступное уже сейчас, — сверхточные часы, призванные стать новым мировым стандартом времени. Вполне возможно создать и так называемую квантовую память, которая позволит «записывать» квантовые состояния света на вещество, хранить их, а затем извлекать, когда это потребуется.

В любом случае работа над квантовым компьютером приведет и к новым побочным открытиям, которые могут принести огромную пользу человечеству. Но уже сегодня нужно думать о защите информации: если RSA-код «квантового мира» будет открыт, все секреты военных и данные о банковских счетах станут доступны каждому. А значит, чтобы уберечь мир от катастрофы, необходимо придумать нечто принципиально иное...

— А у вас есть своя модель квантового рывка?

— Я предлагаю для создания квантового компьютера использовать механизм кластерных состояний света — квантовых связей между фотонами в узлах «фотонной решетки». Если представить микрооптоволокно, по волокнам которого пропустить фотоны света, между ними образуются кластерные связи. Это так называемая кросс-фаза с пересечением импульса света. Теоретически эта модель должна работать, но в реальности могут возникнуть проблемы. Пожалуй, главная — как подобрать соответствующую линейность, сформировать кластерное состояние. При этом возникает самомодуляция света, и пока неясно, поможет этот эффект созданию квантового компьютера или же осложнит эту сверхзадачу. Но я уверен: со временем мы найдем и ее решение.