Что такое квантовые двигатели и как они работают

Живые клетки, квантовые вычисления и двигатель для беспилотника: лауреаты премии Правительства Москвы — о своих проектах

Дмитрий Сорокин — старший научный сотрудник факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова

Удостоен премии Правительства Москвы за значительный вклад в развитие методов обработки биомедицинских изображений живых клеток.

— Я работаю в лаборатории математических методов обработки изображений на факультете вычислительной математики и кибернетики (ВМК) МГУ. В своих экспериментах мы сотрудничаем с медиками и биологами. С помощью разных приборов вроде аппаратов МРТ, КТ, ультразвука и прочих медики получают огромное количество данных — двухмерных и трехмерных изображений (рентген, томографию и так далее). Мы разрабатываем алгоритмы и пишем программы, которые позволяют извлекать из этих изображений полезную информацию, что помогает докторам в диагностике заболеваний и научных исследованиях.

Биологи в своих исследованиях тоже используют множество методов, в том числе одну из самых распространенных техник для изучения клеточных процессов — микроскопию. С помощью микроскопов они получают огромное количество двухмерных и трехмерных изображений и видео. То, что происходит на таком уровне, тоже нужно уметь понимать: например, в какую сторону и с какой скоростью движется та или иная частица внутри клеточного ядра, какую область или объем занимает то или иное вещество, по какой траектории движутся клетки, как делятся, как размножаются и так далее.

Все это, в принципе, можно делать вручную, но это занимает месяцы и даже годы. Кроме того, чтобы обрабатывать такие объемы данных, нужно очень много людей. А с помощью алгоритмов и программ, которыми мы с коллегами занимаемся, все это получается автоматизировать и упростить.

Эта область очень активно развивается — и уж точно не перестанет быть актуальной. Сейчас генетика и в целом медицина и биология — на передовом крае науки. Об этом даже можно судить по Нобелевской премии по химии. За последние годы три были присуждены за разработки в области микроскопии (в 2008-м — за появление технологии флуоресцентных белков, в 2014-м — за разработку микроскопии сверхвысокого разрешения, а в 2017-м — за разработку криоэлектронной микроскопии). Микроскопия и методы обработки изображений тоже актуальны. Грубо говоря, приборы развиваются — соответственно, методы обработки данных с этих приборов тоже должны развиваться.

Первый раз я подавал заявку на премию Правительства Москвы в прошлом году, но тогда не попал в число счастливчиков. А в этом году попал. Уровень конкуренции очень высокий: присуждается 50 премий, в каждой области науки — по три или четыре, а заявок, насколько мне известно, очень много — сотни.

На факультет ВМК я поступил в 2003 году, а в нашей лаборатории работаю с 2005-го: сначала как студент, потом как аспирант, сейчас я старший научный сотрудник. Теперь у меня самого много студентов и аспирантов, которым я передаю свои знания.

Тем, кто думает о выборе будущей профессии в научно-технической сфере, я бы советовал обратить внимание на компьютерные науки. Сейчас эта область, представителем которой я являюсь, получает очередной виток развития. Искусственный интеллект, нейронные сети (что мы, кстати, тоже используем) очень востребованы на рынке труда. Еще — робототехника и, конечно, медицина и биология.

Проводником в мир научно-технических вещей, тем, кто может пробудить интерес к этой сфере, является преподаватель, но город, безусловно, тоже должен создавать условия для этого. Я слышал про технопарки, про мероприятия, которые популяризуют науку в Москве. Что же касается молодых ученых — студентов, аспирантов, мне кажется, лучшее, что город может для них сделать, — это финансовая поддержка. Стипендии и гранты для талантливых научных сотрудников — приятно и очень мотивирует.

Илья Родионов, директор научно-образовательного центра «Функциональные микро/наносистемы» при МГТУ имени Н.Э. Баумана

Удостоен премии Правительства Москвы за цикл работ «Создание уникального опытного производства, разработка и внедрение технологической платформы на основе нового класса эпитаксиальных материалов для комплексов квантовых вычислений, систем безопасности и медицинской диагностики».

— Я учился в МГТУ имени Н.Э. Баумана, здесь же защитил кандидатскую диссертацию на тему технологий изготовления специальных микропроцессоров. А сейчас работаю в научно-исследовательском центре, в организации и строительстве которого я принял непосредственное участие в 2015 году здесь же, на территории МГТУ, совместно с нашим главным партнером ФГУП «ВНИИА» госкорпорации «Росатом».

Практически вся современная элементная база — это процессоры, которые стоят внутри наших компьютеров, разные лазеры и тому подобное. Их эффективность и работоспособность в большой степени зависят от того, какие материалы используются при изготовлении. Материалы должны быть совершенными. Эпитаксиальные материалы, эпитаксиальные пленки — самые совершенные материалы, это известно давно. Но ряд материалов, которые хотелось бы использовать, больше 50 лет не могли получить нигде в мире. Потому что они обладают определенными особенностями — их сложно выращивать. Так сложно, что ни у кого не получалось.

В нашем исследовательском центре собрано лучшее оборудование мировых производителей, и более 50 процентов оборудования — установки, аналогов которым в России нет, в нашей стране они представлены в единственном экземпляре. Однако оборудование — это далеко не все. Нужно обеспечить его не менее сложной инфраструктурой и разработать сложнейшие технологии — молоток можно иметь, но, не зная, как и зачем его применять, ничего толкового им не сделаешь. За последние несколько лет в нашем центре такие технологии были разработаны, и появилась возможность создавать устройства нового поколения, устройства на новых физических принципах. Раньше они не могли работать — все утопало в потерях. А с нашими совершенными материалами можно эту физику почувствовать, увидеть ее в ходе эксперимента.

Сейчас у нас много больших проектов. И практически по всем получены результаты либо мирового уровня, либо существенно опережающие уровень, который существовал до этого в России.

Мы работаем по ряду направлений. Первое — создание нового класса суперкомпьютеров, то есть квантовых компьютеров. Сейчас мир подошел к пределу возможностей существующих процессоров и микроэлектроники. Это связано с определенными техническими факторами. И человечество ищет новые подходы. Большинство из них лежит либо в области квантовых технологий, либо в нанофотонике. Современные вычислительные устройства оперируют электронами, а они очень медленные. (Смеется.) И ученые во всем мире пробуют использовать либо фотоны (свет), либо квантовые свойства вещества и квантовые свойства очень малых объектов (нанообъектов).

Наш центр — основной технологический исполнитель двух крупнейших в России проектов по квантовым вычислениям. Это серьезные большие проекты — в них задействовано более десяти ведущих организаций страны. Идет создание компьютеров на двух разных физических принципах: один — сверхпроводники, второй — фотоника. А квантовые вычисления — это новый путь обеспечения кибербезопасности страны, защиты от любых хакерских атак, путь создания новых материалов, новых лекарств и многого другого.

Мы сотрудничаем с медиками и биологами — создаем персональные лечебно-диагностические комплексы. Сейчас, если мы делаем, допустим, биохимию крови, приходится сталкиваться с ограничениями по чувствительности анализов и используемых методов. Мы же работаем над тем, чтобы создать комплексы, которые обеспечат очень высокую чувствительность измерения на уровне одной молекулы в веществе и высокое быстродействие, когда любые анализы можно будет сделать за считаные минуты. И это будет использовано как при диагностике заболевания на ранних стадиях, так и при лечении.

Еще один момент — системы безопасности, обнаружения различных веществ в малых концентрациях в местах массовых скоплений людей. Благодаря этому можно будет защитить людей в аэропортах, на вокзалах, в торговых центрах. Например, для одного из крупнейших городов мы участвовали в работе над системой, которая в режиме реального времени анализирует воду, поступающую в город, на наличие определенных вредных веществ.

Все работы мы ведем в сотрудничестве с ведущими научными командами России по каждому конкретному направлению. Несмотря на сложнейшие научные задачи, наш центр имеет очень прикладную направленность, наша цель — практическое применение и конкретный, ощутимый результат.

Нынешним студентам технических вузов я немножко завидую: когда я учился, практически ничего такого в плане поддержки молодых ученых еще не было. Я четко помню лекцию, на которой понял, что хочу заниматься именно полупроводниковыми и нанотехнологиями, и преподавателя, который ее читал. Но найти работу по специальности было не так уж просто — это заняло какое-то время. Если бы я тогда имел такие возможности, как сейчас у наших студентов третьих, четвертых курсов, наверное, не выходил бы из чистой комнаты (лаборатории) сутками и уже лет десять назад мог бы соперничать с ведущими мировыми командами.

Святослав Неруш, начальник лаборатории «Порошковая металлургия и аддитивное производство» Всероссийского НИИ авиационных материалов

Павел Мазалов, начальник лаборатории «Металлопорошковые композиции и аддитивные технологии синтеза деталей и элементов конструкций» Всероссийского НИИ авиационных материалов

Удостоены премии Правительства Москвы за разработку, изготовление на базе аддитивного производства и проведение испытаний малоразмерного газотурбинного двигателя с тягой 12 килограмм-силы для беспилотных летательных аппаратов.

Павел Мазалов: Работу над этим проектом мы начали в 2016 году. Его ключевой момент — создание технологии изготовления малоразмерного газотурбинного двигателя. Это не макет, не прототип, а реально работающий небольшой двигатель с тягой 12 килограмм-силы. И что самое интересное, все его детали изготовлены по новейшей технологии российской промышленности — аддитивной технологии селективного лазерного сплавления. В установку загружается мелкодисперсный металлический порошок и послойно сплавляется лазерами для достижения крайне сложной геометрической формы, которой невозможно достичь, используя традиционные технологии.

Таким образом, мы снизили общий срок производства малоразмерных двигателей с шести месяцев, включая организацию производства, до семи дней. То есть сейчас фактически за семь дней можно, имея только электронные модели, получить работающее изделие, которое можно поставить на беспилотник.

Этот двигатель уже прошел ресурсные испытания и готов к установке в летное изделие, которое мы также сейчас разрабатываем на базе аддитивного производства. Летные испытания с этим двигателем пройдут уже в этом году. Благодаря этому проекту при поддержке Фонда перспективных исследований был инициирован более крупный проект по масштабированию аддитивной технологии изготовления малоразмерных двигателей и на территории ФГУП «ВИАМ» организовано производство деталей и сборочных единиц двигателей в классе тяг от 10 до 300 килограмм-силы.

Святослав Неруш: Заявку на эту премию мы подавали во второй раз. Первый раз она получила достаточно высокий балл — тогда мы сделали только маленький двигатель в классе 12 килограмм-силы. Но за прошлый год мы отмасштабировали технологии и изготовили детали для двигателя в классе 125 килограмм-силы.

Этот большой двигатель, как и маленький, должен встать на летательный аппарат и совершить полет, что и будет завершающим этапом.

Но, помимо этого, мы работаем и со смежными отраслями, в частности с предприятиями Роскосмоса, с «Энергомашем». Мы разрабатываем технологию изготовления таких деталей, как, например, теплообменник с увеличенным количеством каналов, который тоже можно сделать только с помощью аддитивной технологии.

Павел Мазалов: На самом деле мы безмерно рады, что получилось поучаствовать в таком конкурсе, что Правительство Москвы поддерживает молодых ученых. И однозначно мы будем поддерживать другие коллективы, которые решатся подать заявку на этот конкурс. Победа стала для нас праздником. А средства, которые мы получим, в любом случае будут вкладываться в образование и саморазвитие, чтобы мы могли подготовиться к более серьезным проектам.

Двигатель квантового сгорания

Как справиться с энтропией

Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики? Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.

За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.

Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры. Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.

И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.

Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.

Классические тепловые двигатели

В своей книге 1824 года «Размышления о движущей силе огня» 28-летний французский инженер Сади Карно придумал, как паровые двигатели могут эффективно преобразовывать тепло в работу, заставляющую двигаться поршень или крутиться колесо.

К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).

Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.

Схема работы теплового двигателя

В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q₁ подводится из нагревателя с температурой t₁ к рабочему телу, часть тепла Q₂ отводится к холодильнику с температурой t₂, t₁ > t₂.

Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A = Q₁ − Q₂, а КПД η будет равен η = A/Q₁.

Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника η_Carnot = (t₁ − t₂)/t₁. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному η_Carnot.

Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.

Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.

Это теория настолько простая и общая, что Альберт Эйнштейн считал, что она «никогда не будет свергнута». Однако с самого начала термодинамика занимала исключительно странное положение среди других теорий мироздания.

«Если бы физические теории были людьми, термодинамика была бы деревенской ведьмой, — писала несколько лет назад физик Лидия дель Рио. — Другие теории находят ее странной, отличной от остальных, но все приходят к ней за советом и никто не осмеливается ей противоречить».

Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.

Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.

Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.

Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.

Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.

В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.

Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.

Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.

Квантовая термодинамика

Зарождение квантовой термодинамики

В письме от 1867 года своему коллеге, шотландцу Питеру Тейту, знаменитый физик Джеймс Кларк Максвелл сформулировал знаменитый парадокс, намекающий на связь между термодинамикой и информацией.

Парадокс касался второго закона термодинамики — правила, согласно которому энтропия всегда возрастает. Как позже заметил сэр Артур Эддингтон, это правило «занимает главенствующее положение среди законов природы».

Согласно второму закону, энергия становится все более неупорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным и различия в температуре уменьшаются.

А как мы помним из открытия Карно, для совершения полезной работы требуются горячее и холодное тело. Огонь гаснет, чашки с утренним кофе остывают, а Вселенная устремляется к состоянию равномерной температуры, известной как тепловая смерть Вселенной.

Великий австрийский физик Людвиг Больцман показал, что увеличение энтропии является следствием законов обычной математической статистики: существует гораздо больше способов для равномерного распределения энергии между частицами, чем для локальной ее концентрации. Когда частицы движутся, они естественным образом стремятся к состояниям с более высокой энтропией.

Но в письме Максвелла описывался мысленный эксперимент, в котором некое просветленное существо — позднее названное демоном Максвелла — использует свои знания для снижения энтропии и нарушения второго закона.

Всемогущий демон знает положение и скорость каждой молекулы в контейнере с газом. Разделяя контейнер на две половинки и открывая и закрывая маленькую дверцу между двумя камерами, демон пропускает только быстрые молекулы в одну сторону и только медленные — в другую.

Действия демона делят газ на горячий и холодный, концентрируя его энергию и снижая общую энтропию. Некогда бесполезный газ с некоторой средней температурой теперь можно пустить в ход в тепловой машине.

Долгие годы Максвелл и другие задавались вопросом, как закон природы может зависеть от знания или незнания положения и скорости молекул. Если второй закон термодинамики субъективно зависит от этой информации, то как он может быть абсолютной истиной?

Связь термодинамики с информацией

Столетие спустя американский физик Чарльз Беннетт, опираясь на работы Лео Силарда и Рольфа Ландауэра, разрешил парадокс, формально связав термодинамику с наукой об информации. Беннетт утверждал, что знания демона хранятся в его памяти, а память должна быть очищена, на что требуется работа.

В 1961 году Ландауэр подсчитал, что при комнатной температуре компьютеру требуется не менее 2,9 × 10 -21 джоулей, чтобы стереть один бит хранимой информации. Другими словами, когда демон разделяет горячие и холодные молекулы, снижая энтропию газа, его сознание потребляет энергию, и общая энтропия системы газ + демон возрастает, не нарушая второй закон термодинамики.

Результаты исследования показали, что информация является физической величиной — чем больше у вас информации, тем больше работы вы можете извлечь. Демон Максвелла создает работу из газа с одной температурой, потому что у него гораздо больше информации, чем у обычного наблюдателя.

Потребовались еще полвека и расцвет квантовой теории информации — области, зародившейся в погоне за квантовым компьютером, чтобы физики подробно изучили поразительные следствия идеи Беннетта.

В течение последнего десятилетия физики предположили, что энергия распространяется от горячих объектов к холодным из-за определенного способа распространения информации между частицами.

Согласно квантовой теории, физические свойства частиц вероятностны и частицы могут находиться в суперпозиции состояний. Когда они взаимодействуют, то запутываются, комбинируя вместе распределения вероятностей, описывающих их состояния.

Центральным положением квантовой теории является утверждение, что информация никогда не теряется, то есть настоящее состояние Вселенной сохраняет всю информацию о прошлом. Однако со временем, когда частицы взаимодействуют и все больше запутываются, информация об их индивидуальных состояниях перемешивается и распределяется между все большим количеством частиц.

Чашка кофе охлаждается до комнатной температуры, потому что при столкновении молекул кофе с молекулами воздуха информация, кодирующая кофейную энергию, просачивается наружу, передается окружающему воздуху и теряется в нем.

Однако понимание энтропии как субъективной меры позволяет Вселенной в целом развиваться без потери информации. Даже когда энтропия частей Вселенной, например частиц газа, кофе, читателей N + 1, растет по мере того, как их квантовая информация теряется во Вселенной, глобальная энтропия Вселенной всегда остается нулевой.

15 лет назад люди думали об энтропии как о свойстве термодинамической системы. Сейчас же мы считаем, что энтропия — это не свойство системы, а свойство наблюдателя, описывающего систему.

Идея о том, что энергия имеет две формы: бесполезное тепло (о котором мы не знаем ничего) и полезную работу (о которой мы знаем почти все), имела смысл для паровых двигателей.

На самом деле между ними существует целый спектр форм — энергия, о которой у нас есть лишь частичная информация. При таком подходе энтропия и термодинамика становятся гораздо менее загадочными.

Ренато Реннер,
профессор университета ETH, Цюрих

Квантовая тепловые двигатели

Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?

В 2012 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.

Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.

Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.

Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы. Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.

С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ = TdS, где dS — это изменение энтропии резервуaра.

В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.

Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.

В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.

В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.

Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E₁, а возбужденного E₂. Цикл Отто состоит из 4 стадий:

I. Расстояние между уровнями E₁ и E₂ увеличивается и становится Δ₁ = E₁ − E₂.

II. Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ₁.

III. Происходит сжатие между уровнями E₁ и E₂, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ₂ = E₁ − E₂.

IV. Тело приводится в контакт с холодильником на время τ₂, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.

Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:

где p₀₍₁₎ — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателя η = 1 − Δ₁/Δ₂.

Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе

Физика для всех: лекции в марте

В рамках цикла открытых научно-популярных лекций в марте пройдут встречи:

4 марта – 17:00–19:00 – Лекция «Классическая механика — в чём проблема?»

Слушателей ждет экскурс в историю науки «квантовая механика». Вас приглашают погрузиться в историю зарождения квантовой механики, познакомиться с ультрафиолетовой катастрофой, что это такое и откуда столько пафоса в ее названии; узнать, какие еще эксперименты указывали на несостоятельность классической физики и установить одну из аксиоматик квантовой механики.

Лекцию читает Денис Геннадьевич Севостьянов (кафедра квантовой механики)

11 марта – 17:00–20:00 – Лекция с демонстрациями опытов «Электрические и магнитные явления».

Из школьной программы многие запомнили, что Ом открыл закон своего имени. Однако процесс открытия электричества более запутанный, и местами даже неожиданный. Кроме знакомства с историей развития электродинамики, мы постараемся с помощью разнообразных экспериментов выяснить, как работают основные законы электромагнетизма.

• как у лампочки в 60 Вт поднять мощность до 800;
• как правильно выбрать пробки;
• зачем на самом деле готовят соленья на зиму;
• как при помощи карандаша убавить громкость музыки;
• как из магнита сделать пушку;
• и многое другое.

Лекцию читают Илья Владимирович Блашков (преподаватель СПбГУ) и Никита Александрович Зайцев ((кафедра физики атмосферы, инженер РЦ «Геомодель» Научного парка СПбГУ)).

18 марта – 17:00–20:00 – Лекция «Паровая машина. Двигатель Стирлинга. ДВС. Что выбрать?»

Тепловые двигатели когда-то перевернули жизнь человечества. Паровая машина, например, явилась катализатором промышленной революции. Да что там промышленной, благодаря ей родился раздел физики «Термодинамика»!

Двигатели повсеместно заменили ручной труд и уже не являются диковинками в наши дни. Но осталось множество вопросов – куда пропали паровые машины, пропали ли, какой двигатель эффективнее и экологичнее.

• принципы работы двигателей с точки зрения термодинамики;
• историю развития теплового двигателя, полную неожиданных и любопытных фактов;
• аргументированное сравнение типов двигателей;
• применение каждого из них в наши дни и перспективы развития (а они есть у каждого движка);
• и многое другое.

Лекцию читает Илья Владимирович Блашков (преподаватель СПбГУ)

25 марта — 17:00 до 19:00 — Лекция «Как потрогать ДНК и зачем нам это делать».

ДНК составляет молекулярную основу всего живого. Можно сказать, что ДНК — это инструкция как собирать другие молекулы. «Читая» информацию, закодированную в ДНК, клетка с помощью специальных инструментов может собрать РНК, а затем и белок. Причем тут физика? Итак, вы узнаете:

• причем тут все-таки физика;
• как можно потрогать одну маленькую молекулу ДНК;
• как сложить из ДНК смайлик;
• как исправить ДНК, которая нам не нравится;
• зачем нам все это делать.

Лекцию читает Михаил Андреевич Панфилов, лаборант-исследователь НИК «Нанобио».

Почему квантовый компьютер никогда не заменит классический

Квантовые компьютеры — это технология, которая потенциально может изменить мир высокопроизводительных вычислений, чем и обусловлен огромный интерес научного сообщества и значимый объем инвестиций в их разработку. Однако, несмотря на громкие заявления ИТ-гигантов, такие как новость о достижении квантового превосходства устройством, разработанным Google, ни одна из экспериментальных установок не позволяет решать практические задачи, а стоимость квантовых компьютеров настолько высока, что они, скорее всего, навсегда останутся нишевым продуктом. Ведущий научный сотрудник Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных Игорь Захаров в преддверии Skolkovo Startup Village рассказывает, каковы возможности квантовых компьютеров сейчас и как будет развиваться эта технология в ближайшее время.

Задачи, решения которых можно ускорить

Квантовый компьютер, говоря научным языком, использует технологии манипулирования квантовыми объектами для организации вычислительного процесса. Объекты могут быть разными: частицы света — фотоны, электроны, атомы, молекулы или специально созданные макроструктуры со свойствами, описываемыми в математической теории квантовой механики. Квантовые вычислительные технологии позволяют организовать взаимодействие с такими объектами в информационные логические единицы — кубиты.

Согласно математической теории квантовой механики, взаимодействие квантовых объектов создает промежуточные состояния, содержащие информацию обо всех возможных путях развития этих взаимодействий. Она находится и в кубитах. При правильной организации вычислительного процесса, а именно программирования, такие свойства позволяют ускорить получение решения по сравнению с самыми мощными классическими компьютерами.

Квантовый компьютер обладает важным преимуществом перед классическим — ускорением вычислений, подготовленных непосредственного для этого типа вычислительных устройств. Это относится прежде всего к процессам, которые описываются квантовой механикой, то есть взаимодействию квантовых объектов. Например, химические реакции являются квантовыми по своей природе. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности при создании лекарств или новых материалов.

Важную роль в разработке новых лекарств играет изучение пространственной структуры белковых соединений. Так называемый фолдинг белка — когда цепочка аминокислот укладывается в трехмерную структуру и на ее поверхности остаются активные центры (рецепторы), которыми они присоединяются к живой клетке. Активность и свойства лекарственной молекулы определяется именно этими рецепторами. Расчет фолдинга на классическом компьютере осуществить сложно. Однако доказано, что фолдинг появляется в результате квантовых взаимодействий в цепочке аминокислот, поэтому на квантовом компьютере такой расчет может быть эффективен. Это открывает путь к созданию универсальных вакцин и пониманию механизма заболеваний.

Ускоренное решение логистических задач может оптимизировать потоки товаров для получения экономического эффекта. Здесь используются свойства квантовых вычислений для ускорения задач комбинаторного характера. Одним из наиболее известных примеров такой задачи является задача коммивояжера по нахождению оптимального пути агента с посещением заданного числа заказчиков или пунктов при разумных затратах, например, времени. Это так называемая трансвычислительная задача. Было доказано, что при 66 пунктах для посещения точное ее решение методом перебора всех возможных путей займет миллиарды лет даже у самого высокопроизводительного классического компьютера. Предполагается, что совершенный квантовый компьютер сможет решать эту задачу для сотен и тысяч пунктов за вполне разумное время: от нескольких секунд до нескольких часов.

Традиционные методы вычислений не исчезнут с появлением реально работающих квантовых компьютеров, поскольку те лишь расширят возможности по моделированию и управлению для задач, решения которых можно ускорить. Таким образом повышается эффективность планирования, моделирования и управления бизнесом, различными системами и научными разработками.

Специальные свойства взаимодействующих квантовых объектов используются для алгоритмов криптоанализа. Интерес к квантовым компьютерам подогревается опасением, что методы шифрования, использующиеся уже многие годы, могут быть взломаны, а накопленные данные прочитаны без авторизации.

В настоящий момент в мире есть около 10 различных моделей квантовых устройств — по несколько десятков квантовых объектов каждый. Это всё экспериментальные модели на различной стадии разработки, пока ни одна из них не позволяет решать практические задачи.

Старший вице-президент по инновациям фонда «Сколково» Кирилл Каем считает, что за квантовыми технологиями большое будущее. Не зря развитые страны и ИТ-гиганты инвестируют десятки миллиардов долларов в их развитие. Среди стран лидируют США, Китай, Япония и Германия, а среди корпораций — IBM, Google и Microsoft. Инвестиции со стороны России менее значительны, равно как и достижения.

«Пока мы выступаем в роли догоняющих, — рассказывает топ-менеджер. — В то же время у нас огромный потенциал, прежде всего это люди: физики, инженеры и ИТ-разработчики, которые демонстрируют существенные преимущества на глобальной сцене. Это подтверждают победы наших программистов на международных олимпиадах и высшие ступени разработчиков алгоритмов в мировых рейтингах. Бюджет в 24 млрд рублей на реализацию дорожной карты “Квантовые вычисления”, держателем которой выступает ГК Росатом, не мал, хоть и не сравнится с бюджетами программ США и Китая. К тому же в России функционирует целый ряд центров компетенций в области квантовых технологий, включая Лабораторию квантовой обработки информации Сколтеха, Центр квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова и Российский квантовый центр (РКЦ). Квантовые технологии, включая квантовые вычисления, входят в список приоритетных сквозных технологий Национальной технологической инициативы (НТИ). То есть приоритет квантовой повестки на государственном уровне достаточно высокий. Предполагается, что к 2024 году на базе ГК Росатом и других участников программы будет создан российский квантовый компьютер, способный решать задачи из производственной практики».

Квантовое превосходство и развитие технологий в России

Пока что главным препятствием для стабильной работы квантовых компьютеров является высокий уровень шумов, не позволяющий поддерживать нужное состояние квантовых объектов достаточно долго для работы практических алгоритмов.

Разработки алгоритмов для квантовых компьютеров идут одновременно с технологическими исследованиями в ожидании момента, когда их можно будет применить в «железе». В частности, активно идет разработка алгоритмов, которые можно применить на «квантовых системах промежуточного масштабирования» (это те самые экспериментальные модели)

Большинство физических устройств находится в США, где и происходит жесткая конкуренция между ИТ-концернами.

Осенью 2019 года Google заявил о своей технологической победе — достижении квантового превосходства на новом процессоре Sycamore. Квантовый компьютер на основе сверхпроводящих кубитов продемонстрировал быстродействие и решил задачу, с который самый мощный суперкомпьютер справится только за 10 тыс. лет.

ИТ-гигант IBM, обладающий на данным момент самым мощным суперкомпьютером IBM Summit (скорость вычислений 200 петафлопсов, емкость дискового пространства 250 петабайтов), поспешил достижение оспорить. Для практиков их спор мало что значит, поскольку квантовое превосходство определяется способностью квантового компьютера решить искусственно созданную задачу быстрее, чем это может сделать самый быстрый классический компьютер. То есть классическому компьютеру предложили промоделировать квантовый, и выяснилось, что он на это не способен.

«Квантовый компьютер — нишевой продукт, заменить классический он никогда не сможет. Но в перспективе будет востребован в тех сферах, где нужен большой объем вычислений. К таким задачам относится, например, моделирование физических процессов в сложных квантовых системах. Кроме того, логистика, размещение в пространстве, генетика, молекулярное моделирование, ускорение поиска глобального оптимума при анализе рынка. Для многих из этих задач есть попытка делать квантовые алгоритмы», — объясняет руководитель направления квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук Станислав Страупе.

Доступ к некоторым устройствам возможен в облаке. Площадка IBM Quantumexperience дает доступ как к симуляторам квантовых вычислений, работающих на классическом компьютере, так и к самим квантовым вычислителям, на которых можно проверить свои алгоритмы. Для этого только нужно зарегистрироваться на сайте концерна.

В России такого облачного сервиса пока нет, но в рамках реализации дорожной карты «Квантовые технологии», проектный офис которой возглавляет генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, через 3-4 года могут появиться и квантовый компьютер, и облачный сервис на его основе.

На данный момент серьезным недостатком квантового компьютера является его цена. И сами машины, и их эксплуатация стоят огромных денег. Достаточно сказать, что большую часть объема устройства занимает система охлаждения, позволяющая опустить температуру до 1/10 градуса выше абсолютного нуля, это холоднее, чем в космосе. Сами устройства уникальны, и над их технической разработкой и изготовлением трудятся большие коллективы ученых.​

Однако разработка квантовых алгоритмов использует большей частью персональный компьютер и поэтому не отличается от другой подобной деятельности.

«Между классическими и квантовыми алгоритмами есть разница, нельзя просто перенести методы их создания с “классики” на кванты, — считает директор департамента развития технологических конкурсов и инициатив фонда “Сколково”, член Управляющего комитета технологических конкурсов UpGreat Вячеслав Гершов. — Это нужно уметь, и разработчики, владеющие навыками создания программ для квантовых компьютеров, получат конкурентное преимущество по мере развития “железа”. Но научиться создавать и кодить квантовые алгоритмы не rocket science, это можно уметь без погружения в квантовую физику».

Существует специальный компилятор/отладчик, позволяющий переложить код, написанный на абстрактном языке программирования, на конкретную машину. Понимание принципов работы и ограничений физического устройства поможет делать эту работу, но не является строго необходимым. Большинство систем используют в качестве языка высокого уровня Python и ему подобные, поэтому порог вхождения не так высок, как кажется. Институтам развития необходимо сосредоточиться на поддержке и стимулировании действующих ИТ-разработчиков — не только академических ученых, но и практикующих специалистов — в их стремлении осваивать технологии квантовых вычислений и продвигаться к созданию коммерчески успешных продуктов для решения конкретных практических задач. Это касается и стандартных практик государственной поддержки инноваций, и новых форм, как то: технологические конкурсы, нацеленные на преодоление глобальных технологических барьеров в данной области, для профессионалов или хакатоны для студентов и молодых специалистов.

«А вузам при подготовке ИТ-разработчиков уже сейчас необходимо учить их основным принципам работы квантовых компьютеров и создания программного обеспечения, чтобы получить быстродействие в целом спектре сложных трансвычислительных задач, обработке больших данных, предиктивной аналитике, моделировании квантовых систем и процессов и так далее. Тогда в будущем появится возможность для следующего большого шага — рождения квантового искусственного интеллекта, то есть искусственного интеллекта, мощным двигателем которого выступит квантовый вычислитель», — заключает Вячеслав Гершов.