Квантовые технологии: от фундаментальных исследований к продуктам
Вместо предисловия. Как следует из актуального закона РФ (Федеральный закон от 23.08.1996 N 127-ФЗ (ред. от 24.07.2023) «О науке и государственной научно-технической политике»):
фундаментальные научные исследования – экспериментальная или теоретическая деятельность, направленная на получение новых знаний об основных закономерностях строения, функционирования и развития человека, общества, окружающей среды;
прикладные научные исследования – исследования, направленные преимущественно на применение новых знаний для достижения практических целей и решения конкретных задач.
Квантовые технологии (КТ) – одна из бурно развивающихся в последнее время отраслей. При этом, в отличие от остальных сквозных технологий, доля фундаментальных исследований1 здесь остается крайне высокой. Эта отличительная черта, с одной стороны, выводит КТ в особый разряд технологий, массовые продукты которых вряд ли появятся на рынке в ближайшее время. С другой стороны, скудность реальных продуктов и массовое непонимание основ квантовой теории дают пищу разнообразным спекуляциям: в средствах массовой информации гуляют мифы о возможностях квантовых компьютеров, глобальных квантовых сенсорных и информационных сетях, квантовом интернете и прочее. Все эти понятия, безусловно, имеют научный смысл, они обсуждаются среди специалистов и за ними стоят конкретные высокотехнологичные разработки завтрашнего дня. Однако, как только интерпретацией квантовых эффектов начинают заниматься дилетанты, желаемое отрывается от действительного и порой даже специалисты не могут понять, о чем идет речь: то ли обсуждаются результаты последних малоизвестных экспериментов, то ли это свободная фантазия воспаленного воображения очередного блогера-интерпретатора.
Ситуацию усугубляет довольно весомое финансирование, выделяемое из средств госбюджета с 2018 года. Десятки миллиардов рублей, выделяемых под разработки в области КТ, привлекают внимание не только ученых, но и всевозможных научно-популярных изданий и свободных художников, ловящих «жареные» новости из мира науки. Сам неоднократно был заложником своих же обещаний сообщать о последних новостях из лаборатории: корреспонденты буквально атакуют просьбами поделиться, и робкие отговорки «пока ничего нет, позвоните через месяц» лишь усиливают их азарт: «А вдруг там уже что-то есть, просто ученые скрывают…»
В качестве примера приведу два. Часто на лекциях, иллюстрируя принцип неопределенностей Гейзенберга, привожу тезис о том, что для квантовой частицы отсутствует понятие траектории. Действительно, в классической механике траекторию (частицы) задают координата r и импульс p. В квантовой механике этим физическим величинам ставятся в соответствие (некоммутирующие) операторы ȓ и ṗ. У таких операторов нет общих собственных функций и, значит, координату и импульс невозможно одновременно измерить2. Это противоречит привычному в повседневной жизни (в классическом мире) опыту: для брошенного камня в любой момент времени можно указать и координату, и импульс!
Другой пример относится к интерпретации специального класса многокомпонентных квантовых состояний, получивших название перепутанных (entangled states: запутанных, сцепленных). Для простейшего их типа – пары двухуровневых систем оказывается, что если про состояние в целом известно все, то состояние подсистем полностью не определено. Такие состояния являются ресурсом квантовой информации: именно на них опираются несколько протоколов квантовой связи, квантовых вычислений и квантовой сенсорики. Вульгарная интерпретация этого свойства перепутанных состояний звучит так: измерение состояния одной из подсистем позволяет мгновенно узнать состояние другой, как бы далеко она не находилась; следовательно, информацию можно передать со скоростью больше скорости света. Именно такие состояния лежат в основе известного «парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена», а также нарушения неравенств Белла. Однако разрешение парадокса строится на формальном аппарате квантовой механики и свойств матрицы плотности – эти разделы физики читаются на третьем-четвертом курсах университетов и вряд ли знакомы обывателям.
Приведенные примеры показывают, что до тех пор, пока в квантовых технологиях не появятся реальные массовые продукты, мир неизбежно будет сталкиваться и с завышенным ожиданием от их использования, и с самыми несуразными интерпретациями и толкованиями новостей из мира науки.
По мере появления таких продуктов мы привыкнем к ним, и оттенок «жареного» отойдет на второй план. Действительно, нажимая на кнопки пульта управления телевизора, вряд ли сейчас кто-то серьезно задумывается о принципах его работы. А всего каких-то 50-60 лет назад двигающееся изображение на экране в небольшом ящике было с одной стороны редкостью, а с другой, вызывало множество вопросов о том, как это устроено.
Что же из перечня продуктов КТ может в ближайшее время стать достоянием общества, пускай не на уровне телевизоров или гаджетов, но хотя бы космических аппаратов?
Пожалуй, ничего… Как говорилось в начале этой заметки, в современных квантовых технологиях в настоящее время ведутся интенсивные фундаментальные и прикладные исследования. Они опираются на самые современные инструменты экспериментальной физики: от однофотонных детекторов и источников одиночных фотонов до больших криогенных машин, позволяющих охлаждать значительные объемы до сверхнизких температур порядка микрокельвин (миллионная доля градуса по шкале Кельвина). Наверное, более или менее очевидно, что такие исследования проводятся высококвалифицированными специалистами, на подготовку которых уходят годы, а иногда и десятилетия. Отвечая на вопрос, сколько времени уходит на подготовку такого специалиста, я отвечаю примерно так: к нам в лаборатории студенты приходят на первом курсе. Шесть лет обучения на физическом факультете МГУ, плюс четыре года в аспирантуре; итого около 10 лет. На протяжении этого срока ребята постепенно входят в курс дел: учатся работать на экспериментальных установках (вид одной из них приведен на фотографии ниже), поддерживать их работоспособность и модернизировать3. Параллельно они осваивают программы университетских курсов по общей и специальной физике, математике и другим дисциплинам. Во вкладыше к диплому перечислено более семидесяти позиций, по которым оценивается квалификация, которая в официальной версии диплома звучит так «Настоящий диплом свидетельствует о том, что Иванов Иван Иванович освоил(а) основную образовательную программу высшего профессионального образования (подготовка специалиста) по специальности «Фундаментальная радиофизика и физическая электроника и ему (ей) присвоена квалификация ФИЗИК».
Здесь самое время сказать, что какие-то продукты КТ все же имеются. Вряд ли их можно назвать массовыми, т. е. доступными для рядового гражданина, как упомянутые телевизор или гаджет. Скорее всего, рядовые граждане даже не подозревают об их существовании и, конечно, не понимают принципов их работы. Эти продукты серийно производятся и за рубежом, и у нас в стране. Речь идет об одном из элементов триады КТ – квантовой связи (два оставшихся элемента – это квантовые вычисления и квантовая сенсорика). Здесь успехи очевидны: соответствующая аппаратура прошла полный жизненный цикл от фундаментальной разработки через прикладные НИР и ОКР к созданию технологии и конкретных образцов аппаратуры для защиты информации. Сегодня эта аппаратура комплектует локальные и магистральные квантовые сети, на ее основе разрабатываются системы космической квантовой связи; словом, разработки не стоят на месте и, возможно, в ближайшем будущем квантовое шифрование займет определенную нишу в стройной системе организации защищенной связи.
Возвращаясь к исходному вопросу о массовых продуктах в области КТ подытожим: массовых продуктов нет и вряд ли они появятся; понимания хотя бы основных принципов работы таких продуктов у населения нет и вряд ли оно возникнет; соответственно, и привыканию (как к телевизорам/гаджетам) тоже неоткуда взяться…
Что же дальше? А дальше предлагается продолжать спокойно жить и работать: ученым – осваивать новые методы и подходы к раскрытию тайн Природы; квантовым инженерам – учить матчасть; чиновникам – следить за строгим исполнением взятых обязательств по освоению бюджетных средств; интересующимся гражданам – получать образование, которое позволит хотя бы правильно подыскивать научно-популярную литературу с адекватным объяснением происходящих технологических чудес; не интересующимся гражданам – не задавать Природе лишних вопросов…
Вместо послесловия. Наверное, в завершение следует заметить, что наивным было бы требовать от ученых добиваться поставленных целей к определенному сроку, особенно в области фундаментальных исследований, хотя вся система организации науки к этому тяготеет. Ведь речь идет о попытках постижения законов мироздания, для которых сроки – вещь весьма относительная.
1. Интересно, что в предыдущей формулировке Федерального закона Российской Федерации «О науке и государственной научно-технической политике» (от 23 августа 1996 а. №127-ФЗ): Фундаментальные научные исследования — экспериментальные или теоретические исследования, направленные на получение новых знаний без какой-либо конкретной цели, связанной с использованием этих знаний (курсив мой, СПК). Их результаты — гипотезы, теории, методы и т. д.
2. Здесь приводится вульгарное изложение трактовки принципа неопределенности; однако в данном случае приходится жертвовать корректностью формулировок для иллюстрации основного смысла утверждения. Кстати, даже этот пример является подтверждением тезиса об опасности «вольных» интерпретаций.
3. С легкой руки физиков-шутников два последних навыка принято относить к компетенции т.н. «квантовых инженеров» - новой специализации в КТ.
Автор: Сергей Кулик