Константин Кудеяров: что такое квантовая оптика

Здравствуйте, дорогие читатели, с вами наша постоянная рубрика “интервью с учёным”. Сегодня на наши вопросы отвечает Константин Кудеяров, физик, специалист в области квантовой оптики. Отрасль эта редкая и сложная, хотя всё, в чём фигурирует словечко “квант” привлекает повышенное внимание журналистов и дилетантов. Вот мы и решили узнать о квантовой оптике из первых рук.

1. Здравствуйте, Константин, расскажите немного о себе: кто вы, чем занимаетесь, как пришли в науку.

Сейчас я учусь на четвертом курсе аспирантуры Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (коротко – ФИАН). Я закончил МФТИ, в котором существует замечательная система обучения: начиная с третьего курса, часть занятий проходит на «базовой кафедре», то есть в организации, занимающейся исследованиями в изучаемой тематике – например, для программистов это может быть «Яндекс», а для меня базовой кафедрой стал ФИАН. Я ездил туда на лекции, затем выбрал лабораторию для написания диплома. С тех пор работаю в этой лаборатории, а сейчас готовлюсь к защите кандидатской диссертации.

2. В русской википедии о квантовой оптике есть два абзаца и указаны пять книг с 1970 по 2003 год выхода. Прямо скажем, прискорбно мало. А ведь это очень интересная и перспективная область знания. Расскажите нашим читателям по возможности популярным языком, чем занимается этот раздел физики.

Я бы сказал, что квантовая оптика - это довольно широкое понятие, объединяющее исследователей, которые могут заниматься довольно разными вещами, но «говорят» на похожих языках. В начале двадцатого века появилась квантовая механика, которая показала, что в микромире (то есть на уровне взаимодействия отдельных атомов и молекул) частицы ведут себя совсем по другим законам, нежели окружающие нас макроскопические предметы. В дальнейшем стало очевидно, что весь мир существует по этим странным квантовым законам. Квантовая оптика рассматривает квантовые свойства света, то, как фотоны – кванты света – взаимодействуют с атомами и молекулами.

Ученые любят говорить, что сейчас мы наблюдаем «вторую квантовую революцию». Первая случилась тогда, когда люди научились управлять коллективными квантовыми свойствами частиц – тогда были изобретены лазер и транзистор. Сегодня речь идет о том, чтобы научиться управлять отдельными частицами и их состояниями – это открывает возможности для таких технологий, как квантовый компьютер, квантовая криптография, различные типы квантовых сенсоров (гравиметры, магнитометры, гироскопы и т. д.)

.

3. Давайте несколько углубимся в область ваших научных интересов: квантовые компьютеры и атомные часы. О компьютерах мы рассказывали полтора года назад. Что нового с тех пор произошло в науке и технике, чего удалось добиться?

С каждым годом мы видим, что все новые крупные корпорации включаются в «квантовую гонку». Квантовые компьютеры разрабатываются IBM, Google, Intel, Honeywell. В России разработку квантового компьютера финансирует в том числе «Росатом». На данный момент идет своеобразное соревнование: кто соберет компьютер из наибольшего числа кубитов, и кто сможет продемонстрировать «квантовое превосходство» - решить задачу, нерешаемую при помощи классического компьютера. Самые продвинутые квантовые компьютеры сегодня имеют в своем составе 30-70 кубитов.

Что касается «квантового превосходства», тут ситуация неоднозначная, так как продолжаются споры, о там как его определить: например, в 2019 году Google сообщил, что превосходство достигнуто, но затем китайские ученые повторили решение той же задачи, используя 60 видеокарт. Еще один модный тренд – создание облачных сервисов, позволяющих любому желающему поупражняться в квантовом программировании. Важно отметить, что в качестве кубита могут использоваться различные физические системы (каждая из которых подчиняется квантовым законам) – сверхпроводники, нейтральные атомы, ионы или фотоны, и в каждом случае это совершенно разные сложные устройства, обладающие своими преимуществами и недостатками.

В России, на данный момент, ведутся работы по созданию кубитов на большинстве известных платформ, однако все научные группы находятся на этапе отладки работы простейшей системы из двух кубитов. Это необходимый этап, так как перед увеличением числа кубитов требуется достигнуть высокой надежности каждой проводимой операции. В ФИАН квантовый компьютер создается на основе ионов иттербия. При помощи электромагнитных полей мы подвешиваем несколько ионов внутри вакуумной камеры, а затем при помощи лазеров с различными длинами волн меняем их состояние. Такой подход, с нашей точки зрения, является особенно перспективным при масштабировании – увеличении числа кубитов до количества, позволяющего решать практические задачи.

4. Может ли квантовый компьютер ускорить численное решение дифференциальных уравнений на больших расчетных сетках? И где такие расчёты применимы?

Важно понимать, что квантовый компьютер не просто имеет большую мощность, чем классический, он имеет принципиально другую архитектуру и другие алгоритмы. Это может показаться невероятным, но корпорации вбухивают тонны денег в создание устройства, которое сможет решать очень ограниченный круг задач, по крайней мере пока. Конечно, в их число входит алгоритм Шора, который позволяет взломать существующие криптографические коды, но в целом, я бы сказал, что поиск задач, которые сможет решить квантовый компьютер – это вопрос не менее актуальный, чем, собственно, его создание.

Думаю, такой путь прошли многие технологии - все многочисленные сегодняшние варианты применения лазеров вряд ли были очевидны в момент их изобретения. Что касается дифференциальных уравнений, то тут я не специалист, так как занимаюсь экспериментом, а не теорией. Однако, насколько мне известно, разработаны алгоритмы, ускоряющие поиск решений линейных систем, в том числе дифференциальных. Правда, стоит учитывать, что квантовые алгоритмы ищут не решения уравнений, а скорее их некий квантовый аналог, и вопрос их применения на практике потребует дополнительных исследований.

5. Спасибо, Константин. Где используются атомные часы? Есть ли перспективы развития этой области, или уже достигнуто некое плато после которого будет расширяться ассортимент атомных часов, но качественных изменений ждать не приходится?

Атомные часы можно сделать с помощью тех же технологий управления состояниями ионов, что используются для создания кубитов. Они являются важнейшей частью глобальных навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС. Собственно, точность определения положения объекта зависит в том числе и от точности часов, измеряющих время распространения сигнала от спутника к объекту. Сегодня на спутниках работают атомные часы предыдущего поколения. В научных лабораториях уже разработаны часы оптического диапазона, погрешность которых меньше на несколько порядков, идет работа по созданию приборов, способных функционировать на спутнике.

Дальнейшее уменьшение погрешности наталкивается на интересную проблему фундаментального свойства. Известно, что часы идут по-разному в различных гравитационных полях. Современные атомные часы имеют такую точность, что позволяют видеть разность хода двух часов, высота расположения которых различается на несколько сантиметров. Так что здесь нас скорее ждет смена парадигмы: мы станем считать такой прибор не часами, а детектором гравитационного поля. Здесь перспективным видится возможность создания карт гравитационного потенциала Земли и навигации по ним без использования спутников.

6. Любое развитие невозможно без подготовленных кадров. Как сейчас обстоят дела с образованием в вашей области?

В нашей области работают как люди с фундаментальным физическим образованием, полученным в МФТИ, МИФИ, МГУ, так и с более техническим (Бауманка, МИЭТ). Молодые кадры приходят в нашу лабораторию (абсолютное большинство сотрудников нашей лаборатории моложе 35 лет), однако я бы не сказал, что тут есть какой-то мощный поток и жесткая конкуренция. На привлечение студентов, вероятно, влияет «модность» темы квантовых технологий и усилия нашего сообщества по ее популяризации.

Что касается качества образования, то большое преимущество системы МФТИ в том, что на «базовых кафедрах» преподают действующие ученые, у которых есть возможность постоянно актуализировать предметы и учебные программы согласно реальным потребностям лабораторий. Однако ввиду различных образовательных реформ будущее системы неясно: то ли университеты берут курс на самостоятельную научную деятельность, то ли восстанавливают связи с РАН.

7. Расскажите, пожалуйста о профильных институтах и других организациях, которые работают в вашей сфере научных интересов. Как им живётся, есть ли финансирование и возможность проводить необходимые исследования?

Основные российские организации, занимающиеся атомными часами - это ФИАН, Институт лазерной физики СО РАН и ВНИИФТРИ - национальный метрологический центр, в котором находятся российские государственные эталоны времени, длины и т. д. Квантовыми технологиями в том или ином виде занимается довольно большое число научных центров, среди которых МГУ, МФТИ, МИСиС, ИТМО и другие. Особое место, пожалуй, занимает Российский квантовый центр, созданный специально для развития этой области. Им удалось собрать несколько сильных научных групп, привлечь значительное финансирование, организовать регулярную конференцию по профильной теме, куда съезжаются все мировые лидеры. Мы создаем свой квантовый компьютер в тесном сотрудничестве с ними.

Что касается финансирования, тема квантовых технологий сейчас «на хайпе» - достаточно сказать, что контроль за прогрессом в этой области осуществляется на уровне заместителя председателя правительства РФ - поэтому финансирование выделяется неплохое. Скорее, трудно в полной мере им воспользоваться - например, из-за сложных бюрократических процедур. Кроме того, область требует большого количества дорогой специализированной аппаратуры, которое, конечно, в России не производится. Закупка из-за рубежа затрудняется долгими сроками ожидания, а зачастую нежеланием “западных партнеров” что-то нам продавать. Но в целом, я бы сказал, что все эти проблемы не оказывают решающего значения, и мы медленно, но верно продвигаемся к цели.

Распиаренность нашей темы, конечно, может вызвать появление различных спекуляций и имитационной деятельности, как было в период популярности «нанотехнологий», но с моей точки зрения, польза, принесенная реально проводимыми исследованиями перевешивает возможные минусы от повышенного внимания.

8. Наука, а тем более физика -- очень дорогое дело и на голом энтузиазме её не делают уже пару веков. Как, с вашей точки зрения, должно быть организовано взаимодействие общества, государства и учёных физиков, чтобы дело двигалось с наибольшей эффективностью?

Это сложный вопрос, на который у меня пока что нет определенного ответа. Сейчас ученые часто жалуются на количество бессмысленных отчетов за каждый небольшой кусочек финансирования. Чиновники не понимают в науке, поэтому пытаются хоть как-то проконтролировать ее эффективность. Увеличение количества отчетности же, наоборот, бьет по эффективности. Поэтому, конечно, есть соблазн сказать: “Государство должно давать много денег и не мешать работать”.

Но истина где-то посередине: контроль нужен, просто над его количеством и качеством нужно работать. Ученые примут условия контроля, если они будут разумными. То же самое можно сказать об отношениях общества и научного сообщества. Технократическая позиция “мы эксперты, знаем все лучше, слушайтесь нас” очень соблазнительна, но мне кажется, ученым нужно много самим работать над связями с обществом, над своим авторитетом.

9. И напоследок, какую научно-популярную литературу можете порекомендовать прочитать неспециалисту для знакомства с темой квантовой оптики?

Думаю, можно начать со знакомства с основными принципами квантовой механики, например, по книге Кокса и Форшоу “Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть”. Для меня красота нашей сферы науки заключается именно в законах квантового мира, которые абсолютно контринтуитивны с точки зрения повседневного опыта.