Двери открываются. Разговор с Алексеем Семихатовым о квантах в вагоне «Росатома»

Атомы и всё, что с ними связано, — тема очень сложная, требующая специальных знаний. Экспозиция в вагоне метро — это вообще удачный способ разговора на такую тему? Нет у вас ощущения, что обычные люди просто не смогут в неё вот так, на ходу, вникнуть?

Любая тема, если в неё вникнуть, непростая, — это раз. Два: вникать можно на разных уровнях, и важно привлекать широкое внимание к тому обстоятельству, что рядом с нами имеется и развивается научное знание, которое напрямую превращается в технологии.

И такой поезд, конечно, привлекает внимание и к отрасли, и к людям, которые этим занимаются. Кому-то может прийти в голову, что об этом можно узнать больше, и можно, в конце концов, пойти учиться. И это, по-моему, очень важно. Ведь эти технологии — самые наукоёмкие, потому что они используют фундаментальные свойства мира. Это с одной стороны. А с другой — они обеспечивают наши обыденные нужды в получении, например, энергии.

К тому, что из атомов получают энергию, мы более-менее привыкли. А вот, например, кванты, про которые вас часто спрашивают, и я тут не стану исключением: что это такое и как знания о них будут применяться в реальной жизни?

Квант — это самая маленькая порция, которая вообще может быть. Квант света — это просто самый слабый свет. Вы пытаетесь сделать свет ещё слабее — и он исчезает. И эти самые маленькие порции живут своей собственной жизнью.

Мы сейчас пытаемся залезть внутрь и управлять ими по отдельности — то есть совершить технологическое чудо. Обычно любое наше действие затрагивает, не знаю, зиллион — в общем, гигантское количество этих квантов, даже если мы очень стараемся быть аккуратными. Но мы сейчас хотим научиться управлять ими по одному.

Что это даст?

Совершенно уникальные возможности. Все химические реакции, механизмы действия лекарств, свойства материалов будут моделироваться в квантовом компьютере. И нам сразу станет ясно, что с ними происходит и почему. Вот задумайтесь: любое химическое соединение по какой-то причине точно знает, как себя вести в той или иной ситуации. И если мы проникнем в эти фундаментальные причины, у нас появится такая же власть над миром, какая имеется у самого этого мира.

Тематический электропоезд «Атом — наш»

Тематический электропоезд «Атом — наш»

О том, как технологии изменят будущее, сейчас модно рассуждать в связи с искусственным интеллектом. Квантовый компьютер и нейронная сеть — это конкурирующие технологии или это вагоны, которые идут, так сказать, в одной сцепке?

Соревнование технологий есть всегда. И это очень хорошо. Есть идея квантовых компьютеров, которые пока существуют в виде прототипов. Есть суперкомпьютеры, которые готовы не уступать квантовым компьютерам на их поле, используя для этого, скажем, вероятностные алгоритмы. И есть искусственный интеллект, который тоже решает часть задач. Мы, конечно, будем пользоваться и тем, и другим, и третьим.

Что касается полноценного, работающего квантового компьютера, который, я надеюсь, появится в ближайшем будущем, — его уникальность в том, что он способен сразу показывать вам, как идёт химическая реакция и какими свойствами обладает то или иное соединение — причём делает это исходя из первых принципов (на основе фундаментальных законов, без использования упрощающих предположений, которые обычно требуются при моделировании сложных процессов — Прим. ред.). Потому что, повторюсь, в каждой химической реакции и в каждом материале каждый электрон сам знает, что ему делать. Традиционными средствами воспроизвести это поведение непросто, даже если мы используем для этого суперкомпьютер. Без квантового компьютера мы вынуждены искать приближённые методы.

А суперкомпьютер — это не другое название квантового компьютера?

Нет, суперкомпьютер — это просто очень мощный и очень быстро работающий, сильно запараллеленный компьютер. А квантовый компьютер способен внутри себя фактически воспроизвести поведение самых фундаментальных составных вещей, из которых, в том числе, состоим и мы сами, и все наши материалы. Вот за счёт этого фундаментального свойства квантовый компьютер позволит нам видеть глубже, чем обычный компьютер, каким бы он ни был мощным.

Возвращаясь к конкуренции технологий: квантовый компьютер не будет заполнять вам электронные таблицы, но есть уникальные области, где при любом соревновании он останется непревзойдённым.

Но искусственный интеллект тоже не для заполнения таблиц в Excel придумывался. Вы считаете, он не способен фундаментально менять науку? То есть для научной революции надо ждать квантовый компьютер, а нейросеть просто избавит нас от рутины, упростит жизнь, но в поведении электрона не разберётся и белок не свернёт?

Что делает искусственный интеллект: находит очень тонкие, ускользающие от человеческого глаза корреляции в реальности или в той системе, которую ему нужно изучать. Находит и, ориентируясь на эти корреляции, выдаёт предсказание с некоторой степенью вероятности. Часто неплохо, хотя и по-разному бывает. В отличие от этого квантовый компьютер будет моделировать эту самую реальность, практически воспроизводя её.

Реальность глубоко внутри — квантовая, и для того, чтобы управлять свойствами вещей в нашем мире, нам нужно знать, как вмешиваться в поведение на квантовом уровне.

Принцип работы квантового компьютера можно объяснить в каком-то первом приближении?

Квантовый компьютер выращивает волновую функцию, которая содержит в себе один правильный ответ и очень много неправильных. Предположим, вас интересует число в задаче разложения на множители или в качестве ответа на какой-то другой вопрос. Квантовый компьютер может «вернуть» вам и правильное число, и множество других чисел, которые не являются правильным ответом. Это важная деталь: неправильные ответы тоже присутствуют в волновой функции.

В конце выполнения алгоритма мы получаем ответ, делая измерение. Оно сопровождается явлением, в которое невозможно вмешаться: случайным образом выпадает один из потенциальных ответов — или правильный, или любой из колоссального количества неправильных.

Задача тех, кто разрабатывает квантовые алгоритмы, — сделать так, чтобы вероятность правильного ответа была намного выше, чем вероятность неправильных. Тогда, повторяя алгоритм несколько раз, мы сможем понять, какой ответ правильный. В зависимости от алгоритма можно дать математическую оценку, сколько раз нужно повторить вычисление, чтобы быть уверенным в правильности ответа. Часто, кстати, предлагаемый ответ можно ещё и проверить; в целом ряде задач ответ трудно найти, но легко проверить. Как, например, судоку: решить трудно, но проверить решение легко.

Почему квантовый компьютер может выдавать неправильные ответы?

Потому что не может по-другому. Квантовый компьютер потому такой мощный в ряде задач, что на каждом шаге он оперирует всеми возможностями — приводящими и к правильному ответу, и к неправильным. Он постепенно выращивает «смесь» разных ответов. Квантовый алгоритм управляет вероятностями, с которыми ответы «выпадут» при финальном измерении. Но это лишь вероятности, единичный исход остаётся непредсказуемым. При взаимодействии с квантовым миром мы неизбежно сталкиваемся с индетерминизмом — беспричинным выпадением одного или другого результата в идентичных обстоятельствах.

Извините, что я опять про конкурирующую фирму, но то, что вы рассказываете, чем-то похоже на то, как искусственный интеллект перемножает матрицы из миллиардов данных и выбирает ответ по принципу наибольшей вероятности.

Это интересная аналогия; искусственный интеллект тренируют, и он в результате выбирает каждое следующее слово в своём ответе в зависимости от контекста. Контекст, собственно говоря, ранжирует слова по вероятности. Для оживления в процесс встроена некоторая (очевидно, не слишком большая) степень случайности. Но вероятности в квантовом мире — это проявление физики, т.е. свойств системы. А случайность там — фундаментальная, «первозданная», не редуцируемая к какому-либо «механизму», из-за чего в неё невозможно вмешаться.

У случайности в «Спортлото», когда из барабана выталкивается 41-й шар, а не 24-й, есть понятная механика, даже если за конкретными деталями сложно проследить. А в квантовый индетерминизм вмешаться нельзя, потому что у него нет скрытых от нас шестерёнок. Голый индетерминизм, однако же соблюдающий вероятности.

Тематический электропоезд «Атом — наш»

Внутри вагонов поезда «Атом — наш»

Внутри вагонов поезда «Атом — наш»

Внутри вагонов поезда «Атом — наш»

Можно я задам совсем, наверное, наивный вопрос: мы уверены, что меньше кванта ничего нет? Было время, когда, условно, атом считали мельчайшей частицей, а потом его разделили на составляющие…

Квант — это не столько частица, сколько общее понятие. Мы твёрдо уверены на данный момент, и, по-видимому, это знание сохранится очень надолго, что деление материи на части останавливается, что имеются минимальные порции чего бы то ни было. Не надо только представлять себе эти минимальные порции как что-то привычное, «только очень маленькое». Это не вещи и не тела, у них нет формы и ряда других привычных свойств.

Если вы говорите о форме или о размере, то вы вынуждены объяснять, из чего ваш объект состоит, почему у него правый бок раздут, почему ребро проходит поверхности, и так далее. Но кванты — это не вещи и не тела, это явления. Они ни из чего не состоят и поэтому лишены значительного числа характеристик, которые мы обычно приписываем вещам.

Чудо природы состоит в том, что кванты лежат в основании мира. Это элементарные сущности, взаимодействие которых рождает всё, что мы наблюдаем, включая нас самих. По каким законам они взаимодействуют и складываются — вот что мы хотим узнать с помощью квантового компьютера.

Квантовая реальность структурирована совсем иначе, чем наша, и это не так просто осознать. Возможно, с появлением квантовых компьютеров мы начнём лучше понимать этот мир на бытовом уровне.

Да? То есть квантовая физика — не настолько контринтуитивна, какой она кажется сейчас неподготовленному человеку?

Абсолютно контринтуитивна.

Но вы же говорите, что квантовый компьютер поможет уложить её в голове. Мне вот казалось, что нет у нас в голове такой полки, и в этот микромир, живущий по другим законам, просто нужно поверить: кажется тебе что-то чёрным — а ты прими как данность, что оно белое, потому что учёные что-то с чем-то столкнули в своих центрифугах и математически это доказали.

Нет, подождите, это не вопрос веры. Я протестую против «кажется чёрным» и против «прими как данность». Мы в своих рассуждениях используем абстракции, которые извлекли из наблюдения за природой. Да, чем дальше и глубже мы изучаем мир, тем дальше эти абстракции от привычной нам наглядности, тем явственней они противоречат нашему «стихийному здравому смыслу».

Однако выбираем или отвергаем эти абстракции мы на основе их количественного успеха — в зависимости от того, насколько точные предсказания удаётся на их основе делать. Здесь нет элемента веры, а есть, наоборот, конкуренция предложений по наиболее точному описанию мира.

Квантовая механика — это количественная теория. Она странно формулируется, у неё необычные абстракции, она предлагает забыть о реалиях, которые окружают нас в обычном мире, — но она превосходно проверяется количественно.

А вы сами, как человек, который квантовой физикой занимается давно и постоянно думает об этом, — уложили в голове, как одна и та же частица может находиться в двух разных местах в одно и то же время? Вы это можете, как бы правильно сказать… почувствовать?

Это расхожее утверждение, кстати, достаточно спорное. Не то чтобы совсем бессмысленное, но оно хорошо иллюстрирует, что получается, когда квантовую реальность пытаются переложить на язык обычных представлений.

Я хочу заметить, что создатели квантовой теории добились успеха именно тогда, когда проделали одно неслабое интеллектуальное упражнение, а именно — подавили в себе всё, что считалось очевидным и само собой разумеющимся: полностью подавили «здравый смысл» и руководствовались только теми данными, которые можно было извлечь из экспериментов. Предположения о том, что один электрон находится здесь, а другой летит туда, а какая-то частица делает то-то и то-то, — это традиционный способ мышления. Пока родоначальники квантовой теории не изгнали его из своей головы, квантовая механика не получалась.

И, возвращаясь к вашему вопросу: да, те, кто занимается квантовой механикой профессионально, приобретают свою собственную интуицию. Это нормальная профдеформация.

У вас она есть?

Ну, она до некоторой степени есть. Конечно, у людей выдающихся интуиция относительно поведения квантового мира развита более сильно.

Беседовал Чермен Дзгоев