Сергей Кулик – о квантовых технологиях, школе Б. Я. Зельдовича и квантовых экспериментах в ЮУрГУ

Фото: www.susu.ru

Квантовая физика и квантовые технологии – очень прогрессивные направления в науке и технике – сложные и интересные, охватывающие и безопасную связь, и сверхчувствительные датчики, и суперкомпьютеры, и в перспективе даже персональную медицину. Заведующий лабораторией «Квантовая инженерия света» ЮУрГУ, доктор физико-математических наук, профессор Сергей Кулик рассказал о развитии квантовых технологий сегодня, а также о том, каково исследовать вещи, которых в нашем мире просто нет.

– Сергей Павлович, какие сейчас особенно важные события происходят в квантовой физике, в квантовых технологиях?

– Наверное, самое важное из событий – это Нобелевская премия за исследования в области запутанных состояний в прошлом году. Речь идет о специфических квантовых состояниях – запутанных состояниях. Эти состояния являются ресурсными, т. е. на их основе можно что-то делать практическое – в этой науке такие действия принято называть протоколами. Протокол – это набор действий, который ведет к определенному результату. Например, есть прокол квантовой криптографии, протокол квантовой телепортации и т. д. И вот за разработку и исследование этих состояний на протяжении нескольких десятилетий была дана Нобелевская премия. Это как раз то, чем мы занимаемся здесь, в ЮУрГУ, и в Московском университете тоже. И это очень важно: это вдохновляет и показывает, что мировое сообщество по достоинству оценило вклад ученых в это направление. Рассказать об этих состояниях в коротком научно-популярном интервью довольно непросто, потому что в классическом мире, в котором мы живем, аналогов их нет. Это вещи, которых просто нет в нашем мире. Поэтому не надо стараться их понимать, надо просто их принять и поверить в них.

– Чем вообще занималась и занимается сейчас квантовая физика? Если можно объяснить это как-то более научно-популярно.

– Смотрите, квантовая физика в своей эволюции испытывала несколько стадий. Началась она с открытия Макса Планка, который предсказал и описал особенности теории излучения. А первым этапом или первой квантовой революцией стал момент, когда ученым удалось объяснить и предсказать эффекты, которые называются коллективным или ансамблевым – с участием большого числа квантовых объектов: атомов, молекул, ионов, фотонов. Яркий пример – это атомная бомба. А сегодня это фактически любой предмет, работающий от 220 В, которым мы пользуемся: компьютер, смартфон, какие-нибудь лазерные указки – все это квантовая физика, квантовые технологии. И это первая веха – коллективные эффекты, когда квантовых объектов очень много. 

А примерно с конца прошлого века мы живем в эпоху так называемой второй квантовой революции: ученые-экспериментаторы получили доступ к индивидуальным квантовым объектам. Все те же фотоны, ионы, молекулы, проводящие контакты– только одиночные. И оказалось, что изучение свойств таких отдельных объектов сулит огромные перспективы в квантовых вычислениях, квантовой связи и квантовой сенсорике.

– Как вы считаете, квантовая физика – это больше сложно или интересно, если вообще можно такие категории к этому направлению применить?

– Это и сложно, и интересно. У вас получается альтернатива: либо пытаться понять, как это работает, и тогда один из вариантов вашей дальнейшей жизни – это сумасшедший дом, потому что понять это невозможно. Либо же попробовать это принять, буквально поверить в то, что делали другие ученые:  Бор, Гейзенберг, Шредингер, – поверить  в их разработки и использовать это в своей работе. Поэтому да, это одновременно и сложно, и очень интересно. Интересно пытаться использовать на практике то, что никто не может понять, как работает. Например, у квантового объекта, допустим, электрона, нет траектории, т. е. невозможно одновременно узнать его координату и импульс. То есть в классической механике если вы берете камушек и кидаете его, то в любой момент времени вы сможете сказать, какая у него координата и какой вектор скорости. А в квантовой механике, если вы, скажем, кинули электрон и точно в какой-то момент померили его координаты, вы ничего не сможете сказать о направлении и величине импульса. Просто это запрещено соответствующими законами. С другой стороны, часто удается найти аналогии для квантовых состояний. И такие аналогии нам помогают как раз выживать и не сойти с ума окончательно.

– Почему однажды вы выбрали именно квантовую физику  как свое научное направление?

– Так получилось, что я не выбирал. Мой папа, который был физиком, отправил меня на физический факультет МГУ, и я особенно не рассуждал на тему, куда мне идти. А на втором курсе я совершенно случайно оказался в лаборатории, в которой я до сих пор, можно сказать, и нахожусь. В этой лаборатории как раз занимались проблемами квантовой механики. И мне там настолько понравилось, настолько это было необычно, и такие люди там были хорошие и в человеческом, и в профессиональном смысле, что я прямо там остался, прикипел и до сих пор этим занимаюсь.

– А что вы можете сказать о развитии этого направления в ЮУрГУ? Какие проекты реализуются сейчас?

–   ЮУрГУ, к счастью, продолжает традиции Школы Бориса Яковлевича Зельдовича и его учеников, которые эту школу и составляют. Но там в основном были, и это важно помнить, ученые-теоретики. А в квантовой физике необходимы еще и экспериментальные исследования. Когда я начал совмещать работу и в ЮУрГУ, и в МГУ, мы попытались сформулировать какие-то концептуальные направления, в которых можно было бы двигаться в плане экспериментов. Сейчас мы экспериментально работаем над одним из основных эффектов квантовой оптики – эффектом антикорреляции фотонов. Эксперимент длится уже около 9 месяцев, и последние две недели, что называется, процесс пошел! Экспериментаторы из ЮУрГУ, я считаю, достойно все это время работали, они стали уже вполне самостоятельными исследователями. Это очень важно. А еще  –  и я постоянно об этом говорю – нужны молодые специалисты. Нужно всячески привлекать студентов и оставлять у себя лучших. 

– Как раз вопрос про молодых специалистов: много ли их сейчас приходит в эту сферу?  

– Студенты, молодые ученые потихоньку приходят. Но кадровый, профессиональный вопрос по-прежнему стоит очень остро, это по-прежнему проблема. Причем не только с точки зрения того, приходят молодые специалисты или нет. Очень важен уровень подготовки этих людей, этих кадров. В целом все квантовые технологии – это очень сложная тема, сильно насыщенная и наукой, и технологиями. И, чтобы подготовить квалифицированного специалиста в этой области, нужно как минимум пять лет. Как минимум. И, конечно же, этот специалист должен знать такие общие разделы физики, как  квантовая механика, статфизика, термодинамика и пр. Это все должно быть в системе образования. И мы прямо сейчас пробуем это делать: например, сейчас в ЮУрГУ разрабатываются новые бакалаврские и магистерские программы. Это очень важный процесс, который как раз способствует качественному развитию этого направления в ЮУрГУ. Да, быстрыми результаты не будут. Но процесс идет. Это главное.

– Так или иначе мы периодически слышим такое словосочетание, как квантовый компьютер. А что это такое? И насколько это явление близко к тому, чтобы уже стать реальным?

– Я уже упоминал направление квантовых вычислений  как одну из трех субтехнологий квантовых технологий. Развитие этого направления должно привести к созданию квантово-вычислительных устройств, квантового компьютера. Если в общих чертах, это некое устройство, которое работает на основе законов квантовой механики и которое, как оказалось, позволяет существенно увеличить скорость работы вычислительных устройств. Но в основном это касается определенного класса математических задач – оптимизационных или переборных: когда нужно обработать большой массив данных по каким-то признакам и найти верное решение. Таких задач очень много в жизни. Например, задача странствующего коммивояжера: когда коммивояжер должен объехать фиксированное количество городов самым выгодным, с точки зрения логистики, образом. И, если этих городов больше 40, никакой супермощный классический компьютер эту задачу по оптимизации маршрута не решает. А если этих городов, например, 100, то и подавно. Хотя это еще не такие большие числа, которые встречаются в тех задачах, решение которых важно уже сегодня. А квантовый компьютер, если он будет создан, он эту задачу решит. 

Еще это задачи, связанные с материаловедением, синтезом новых материалов, персональными лекарствами – персональной медициной, алгоритмами принятия правильного решения и т. д.
Сейчас потихоньку мир двигается в сторону создания маломощных квантовых компьютеров. Но пока речь не идет о том, чтобы небольшие квантовые компьютеры, которые уже существуют, превысили по своим возможностям классические аналоги. И прогнозы какие-то я не люблю делать. Мне больше нравится формулировка, которая гласит, что все зависит от того, насколько нам природа захочет отдать свои секреты. Это, конечно, пафосно и несколько гуманитарно. Пока мы бьемся, и результаты еще очень скромные. Но движение идет поступательное. Вперед, к светлому будущему. 

7 июня на базе ЮУрГУ пройдет научно-практический  семинар на тему «Квантовые технологии». Ведущий организатор семинара – Сергей Кулик.

В научной части семинара будут обсуждаться тема развития технологии квантовых вычислений, вопросы разработки и создания межуниверситетской квантовой сети (МУКС), а также будут затронуты вопросы подготовки кадров для практического применения квантовых технологий, вопросы реализации пилотных проектов на основе инфраструктуры МУКС.

В практической части семинара будут рассматриваться аспекты применения квантовых технологий в сфере информационной безопасности.

Семинар ориентирован, в первую очередь, на индустриальные и финансовые организации региона – промышленные предприятия, банки и государственные учреждения.

Здесь можно ознакомиться  с  предварительной программой семинара   и  аннотациями докладов участников .

Ссылка на онлайн-трансляцию мероприятия:    https://youtube.com/live/vAutErb_bdk?feature=share