Повелители времени: российские физики повернули вспять «старение» квантовой системы

С 5 по 12 октября проходит одно из крупнейших событий научного мира — 119-я Нобелевская неделя. Открылась она объявлением лауреатов премии по медицине и физиологии, 6 октября будут названы лауреаты по физике, 7 октября — по химии, 8-го — по литературе, 9 октября станет известна фамилия обладателя Нобелевской премии мира.

И, признаться, нашим ученым есть чем удивить мир. Например, в "Коньке-горбунке" престарелый царь опробовал на себе смертельный способ омоложения: купание в кипящем молоке. Похожий способ "омоложения с нагреванием" придумали физики Московского физико-технического института Андрей Лебедев и Валерий Винокур, но не для капризных царей, а для квантовых систем.

Швейцарское фондю, встречи в США и мировая известность

Свой типичный рабочий день 40-летний ведущий научный сотрудник лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ Андрей Лебедев называет непредсказуемым. Около 12 лет он работал в Швейцарской высшей технической школе Цюриха — альма-матер Альберта Эйнштейна, Вильгельма Рентгена и еще двух десятков нобелевских лауреатов.

Суровые Альпы покорили сердце ученого: скалолазание и горные лыжи стали его хобби. А вот к чему Андрей Лебедев так и не смог привыкнуть, так это к специфическому запаху сырного фондю и бытовой расчетливости швейцарцев, и когда представилась возможность заняться интересными проектами, с радостью вернулся на родину. Сейчас ученый преподает в МФТИ и сотрудничает с госкорпорацией "Росатом".



Валерий Винокур тоже долгое время находится вдали от родной Москвы, но связей с российскими коллегами и друзьями не теряет. В 1990 году ученый переехал в американский Чикаго, где вскоре создал и возглавил Институт теоретической физики Отделения материаловедения Аргоннской национальной лаборатории.

"Мы с Андреем придерживаемся принципа, что наука не знает границ", — подчеркивает Валерий Винокур.

К черту подробности, вы сможете сделать меня снова молодой?

В избитых сюжетах о путешествиях во времени само время представлено как четвертое измерение, в котором герои с помощью хитроумных машин перемещаются от динозавров к гуманоидам будущего и обратно, объяснил Андрей Лебедев.

После этого понятного тезиса ученый начал произносить совершенно крамольные вещи:

"Вот вы сейчас сидите в своем офисном кресле и попиваете кофе, а если вас взять, разогнать до околосветовой скорости, то время для вас будет идти медленно, а вокруг вас — быстро, и когда вы затормозитесь, вы очутитесь через тысячи лет от отправной точки, а ваш кофе даже не успеет остыть! Правда, в прошлое таким образом не улетишь".

Второе определение времени — не геометрическое, как четвертого измерения, а термодинамическое. "Так, ваше ощущение времени совпадает с разрушением любого физического объекта. Продукты портятся, камни рассыпаются, не успеешь покрасить стены — они уже облупились! В обратную сторону в жизни ничего не происходит, а мы в нашей работе нашли способ повернуть вспять эту хаотизацию", — продолжил Лебедев.



Авторы исследования доказали, что если взять произвольный объект микромира, совершить над ним некоторые "магические" действия при помощи квантового компьютера, то можно уменьшить степень хаотизации и вернуть объект к первоначальному состоянию.

"Вы уже допили свой кофе? Нет? Отлично! Вот мы берем ваш кофе, кладем туда кусочек сахара и убираем стакан в непроницаемую пустую коробку. Через пять минут сахар растворится. Наша "магическая" процедура позволяет растворенный кубик сахара восстановить в первоначальном состоянии", — описал процесс Андрей Лебедев.

Люди, в общем-то, тоже ветшают.

"Ощущают термодинамическую стрелу времени", — описал процесс ученый.

"Я выступал с отчетом по работе в (Аргоннской. — Прим. ред.) национальной лаборатории, и одна присутствующая дама, видный физик и член комитета, перед которым я выступал, пошутила: "Ладно, Валерий Маркович, с электронами понятно, а вот меня снова молодой вы меня сделать сможете?" На что я ответил, что, конечно, смогу при надлежащем финансировании. Это был забавный диалог", — смеется соавтор исследования Валерий Винокур.

К сожалению, омолаживать людей или какие-либо объекты вне микромира с помощью предложенного в исследовании алгоритма еще нельзя. Пока практическое применение этой теории другое, и завязано оно на использовании квантового компьютера.

Заря новой компьютерной эры

Квантовая механика как раздел физики появилась в 1920-е годы для описания того, как работает пространство в масштабах микромира. Через какое-то время эта теоретическая отрасль пришла к вполне практическим результатам: в 90-е годы обнаружилось, что квантовые системы можно использовать для вычисления — так родилась идея о квантовом компьютере. Андрей Лебедев считает это одним из важнейших открытий конца прошлого века, которое в XXI веке предопределит развитие нашего общества.

Сейчас все — и условная студентка Лена, и ученые NASA — пользуются компьютерами, работающими на полупроводниках. В свое время их открытие произвело настоящий фурор и, по сути, создало жизнь, какой мы ее знаем сейчас. А теперь представьте, что человечество разработало новую машину, вычислительная мощность которой в тысячу раз больше самого мощного обычного компьютера!

"Еще десять лет назад некоторые крупные ученые считали, что создание квантового компьютера невозможно, а сейчас этих компьютеров довольно много. На столе у каждой домохозяйки он пока не стоит, но крупнейшие компании сейчас ведут гонку, кто построит самый большой квантовый компьютер", — сказал Валерий Винокур.





Такие машины уже есть, например, у компаний IBM, Google, Microsoft. Лучшие ученые мира работают над эволюцией этих огромных установок. Создается квантовый компьютер, правда, пока меньшей мощности, чем у корпораций-гигантов, и в России.

Работа Андрея Лебедева и Валерия Винокура помимо безусловной теоретической ценности важна для практического применения новых квантовых компьютеров. Дело в том, что проверить правильность расчетов квантового компьютера на обычных компьютерах невозможно.

Например, чтобы проверить результаты 200-секундных расчетов квантового компьютера IBM потребуется работа всех существующих на планете компьютеров в течение 10 тыс. лет! Поэтому камертоном работы квантового компьютера может выступить только он сам. Но как?

"В нашей работе предложен алгоритм действий, как, имея в руках квантовую систему (например, квантовый компьютер), вернуть ее к первоначальной точке. Если процедура такого обращения прошла успешно, то можно с высокой степенью вероятности говорить, что произведенные машиной вычисления правильные. В первой работе, опубликованной в 2019 году, мы предложили процедуру, как это сделать, но для этого необходимо было иметь полную информацию о состоянии квантовой системы перед началом операции. На это требуется очень много компьютерной памяти, из-за чего этот алгоритм действий на практике почти невозможно реализовать. Тем не менее мы успешно проверили эту теорию в квантовом компьютере IBM на трех кубитах (минимальных квантовых объектах, входящих в состав квантового компьютера; в мощном квантовом компьютере IBM 52 кубита. — Прим. ред.). Во второй работе, опубликованной в этом году, уже нет необходимости знать квантовое состояние системы перед обращением. Это очень большой апгрейд!" — рассказал Лебедев.



Практическую реализацию этой теории очень сложно описать и осмыслить не физику. Вкратце она выглядит так: половину кубитов, находящихся в квантовом компьютере, нагревают, они хаотизируются, а затем происходит так называемая процедура частичного квантового переноса с ненагретыми кубитами, после чего они разъединяются. Эта процедура повторяется много раз. Через определенное время ученые проверяют систему и видят, что она вернулась к началу. Бинго!

Правильность алгоритма, описанного в первой статье, ученые успешно доказали на компьютере IBM, вторую статью ждет проверка боем в ближайшее время. Для этого не нужен очень мощный квантовый компьютер, достаточно четырехкубитного: два кубита будут нагревать, два — обращать. Проблема в том, что существующие квантовые компьютеры не оборудованы системой нагрева, поэтому для проверки теории придется проектировать такую систему дополнительно.

"Работы по созданию квантового компьютера ведутся в России: в МФТИ, НИТУ "МИСиС", МГТУ им. Баумана, Росатоме. Разработка темы и инвестиции начались пять-шесть лет назад. Кубиты в Физтехе уже есть, но пока нет необходимых квантовых чипов, где кубиты объединены в единую схему. Я думаю, с их появлением мы сможем еще раз успешно доказать свою теорию", — поделился ожиданиями Андрей Лебедев.