Создание первого российского кубита для квантового компьютера - Иван Храпач, Дмитрий Гиляров - Наука в фокусе - 2015-05-31
Н. Асадова
―
Добрый всем день. У микрофона Наргиз Асадова и Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». Привет, Егор.
Е. Быковский
―
Привет, Наргиз. Здравствуйте, дорогие друзья.
Н. Асадова
―
Это передача «Наука в фокусе». И, как обычно, у нас масса интересных тем. Но для начала хотела бы сделать небольшое объявление. В следующее воскресенье наша передача выходит ещё по воскресеньям после 17 часов. А с 12 июня мы переезжаем на пятницу, 16:00. Так что весь московский трафик, все люди, которые едут на дачу за город, слушайте нас внимательно. Итак, с 12 июня мы будем выходить по пятницам после 16:00.
Е. Быковский
―
Почему все люди, которые едут на дачу? А остальные люди? Пусть остальные тоже нас слушают.
Н. Асадова
―
Договорились. Сегодня мы обязательно поговорим про новость, наверное, и самую обсуждаемую тему в научном мире на этой неделе – это закрытие фонда Зимина, фонда «Династия», который ведёт мощнейшую просветительскую работу в нашей стране. И сегодня у нас в гостях наш первый гость, это как раз стипендиант фонда «Династия» Дмитрий Гиляров, учёный-биолог, научный сотрудник Сколтеха, младший научный сотрудник Института биологии гена РАН. Здравствуйте, Дмитрий.
Д. Гиляров
―
Здравствуйте. Дмитрий Гиляров.
Е. Быковский
―
Всё-таки основная тема у нас будет как всегда форматная, то есть тема его исследования. Как мы к этому пришли. Давай я сейчас немножко вспомню. Мы в прошлом году делали хорошую передачу об антибиотиках, потому что эта тема очень горячая. Проблема устойчивости к антибиотикам настолько серьёзна, что ВОЗ предупреждает неоднократно, что время антибиотиков прошло, игнорировать инфекции больше нельзя. В апреле прошлого года как раз перед нашей передачей про антибиотики ВОЗ заявил, что это не прогноз на будущее. Сейчас опасность грозит каждому из нас немедленно. Есть разные подходы к поиску новых антибиотиков.Один из популярных в последнее время – поиск неисследованных генов в почвенных бактериях. Мы о нём рассказывали. Но есть и принципиально другие методы. И об одном из них мы поговорим с нашем сегодняшним гостем.
Н. Асадова
―
Дмитрий, расскажите, какую борьбу с болезнетворными бактериями.
Д. Гиляров
―
В принципе Егор всё правильно сказал, потому что действительно в последние годы всё возрастает мировая обеспокоенность проблемой лекарственной устойчивости бактерий, то есть устойчивости бактерий к антибиотикам, и вот например британский премьер в последний год тоже озвучивал свою обеспокоенность тем, что за последние несколько десятков лет не было найдено ни одного нового антибиотика.
Е. Быковский
―
Начало 1970-х, если я точно помню.
Д. Гиляров
―
Да. То есть золотой век открытия антибиотиков пришёлся на 1950-1960-е годы, то есть сначала был открыт пенициллин, потом стрептомицин Ваксманом. И после этого очень быстро за несколько десятков лет были открыты все основные типы антибиотиков, которые сейчас применяются.
Е. Быковский
―
Подождите, я на секундочку… многие мои знакомые уверены, что их до сих пор открывают, говорят: вот, третье-четвёртое поколение антибиотиков.
Д. Гиляров
―
Я сейчас про это как раз расскажу. Это открытие сделало возможным искоренение большинства бактериальных инфекций, от которых погибала большая часть людей до войны, например. Это касается и детских инфекций, и инфекций раненых, и других.Но, к сожалению, уже в то время, когда открывались первые антибиотики, открыватели пенициллина (Чейз и другие) уже высказывали обеспокоенность тем… Так как они были биологами, они понимали, что идёт эволюция всё время, что если мы с помощью антибиотика убиваем какую-то часть бактерий, то остаются в живых бактерии, у которых есть случайно есть какие-то признаки, обеспечивающие устойчивость к этим веществам. Они отбираются, таких бактерий становится больше. И постепенно получаем устойчивых к антибиотикам бактерий. Эти люди выступали за ограничение применения антибиотиков сразу же. Но они не были услышаны. Антибиотики стали применяться в сельском хозяйстве массово. И это и привело к тому, что всё больше и больше стало появляться бактерий, устойчивых к первым антибиотикам, которые применялись, например, к пенициллину. Тогда за дело взялись химики-синтетики. Они стали модифицировать имеющиеся структуры, добавлять к ним какие-то химические группы, пытаясь сделать вещества, которые действовали бы на этих устойчивых бактерий.
До каких-то пор это было успешно. Но тут мне придётся сделать отступление небольшое. Дело в том, что механизмы этой устойчивости бактерий разные. Некоторые из них – это помпы, насосы, которые откачивают токсичные вещества из бактериальных клеток. Эти помпы могут быть достаточно неспецифичными, действовать на разные классы молекул, обеспечивать множественную устойчивость. Другие гены – это, например, ферменты, расщепляющие каркас молекул антибиотика. Например, устойчивость ко всем пенициллинам определяется ферментом бета-лактамазой, которая расщепляет пенициллин, ампициллин, карбенициллин.
Е. Быковский
―
Может быть, я неправильно вас услышал. Что значит «гены – это ферменты»? В смысле они экспрессируют...
Д. Гиляров
―
Я имею в виду, что да, это белок, кодируемый геном, безусловно. То есть все вот эти варианты на основе структуры пенициллина, даже если они были как-то химиками модифицированы...
Н. Асадова
―
То есть то самое 3-4 поколение?
Д. Гиляров
―
Да, они всё равно становятся неэффективными, причём, они могут быть все неэффективными, потому что они все несут в себе некую принципиальную структуру, которая узнаётся этим ферментом.
Н. Асадова
―
А почему химики-синтетики не могут создавать пятое, шестое, пятьдесят пятое поколение? Почему в этом направлении нельзя двигаться дальше?
Д. Гиляров
―
Нет, они до какой-то степени могут и до какой-то степени это и есть то, что происходит. Более того, когда были созданы первые полностью синтетические антибиотики (хинолоны, фторхинолоны) в 1980-х годах, то ожидалось, что к ним эта устойчивость вообще не будет появляться, потому что это некие вещества, полностью созданные в пробирке, искусственно, которых в природе нет. И предполагалось, что бактерии никогда не изобретут, как от них защищаться, или это будет происходить бесконечно долго.
Н. Асадова
―
И сколько ушло времени, чтобы бактерии научились это делать?
Д. Гиляров
―
Десяток лет. Я думаю, что уже в конце 1980-х возникли случаи устойчивости к фторхинолонам, что вызвало, конечно, большую озабоченность.
Е. Быковский
―
А почему ожидалось, что не будет устойчивости к искусственным антибиотикам? Какая разница, к чему устойчивость есть? Некая структура. От неё можно научиться защищаться. Какая разница, естественно она выросла или в пробирке?
Д. Гиляров
―
Если она выросла в пробирке, то можно ожидать, что этот процесс займёт больше времени. Это связано с тем, что среди бактерий очень распространён и играет очень большое значение в жизни процесс обмена генетическим материалом между собой. Это перенос мобильных участков ДНК, перенос плазмид. И плазмиды исходно как раз и определялись как маленькие молекулы ДНК, несущие генные устойчивости к антибиотикам, которые передаются между бактериями, находящихся в одном сообществе, например, в почве. И эта устойчивость стремительно распространяется.
Е. Быковский
―
Понятно. Тут будет какая-то чужая структура, и кусочек неудобно встраивать в ДНК, он не помещается туда.
Д. Гиляров
―
Если антибиотик уже встречается в природе, например, это вещество, которое обрабатывается какими-то почвенными бактериями, стрептомицетами, как стрептомицин. Соответственно, эти бактерии живут в одной среде со своими конкурентами, возможно, миллионы лет. И какие-то из них уже научились от них защищаться. И вот эти гены, обеспечивающие защиту, уже существуют в природе. И при возникновении мощного фактора отбора, когда, например, люди начинают использовать стрептомицин для лечения животных. То есть как применяются в культуре антибиотики? Их просто насыпают в корм вне зависимости от того, болеет данное животное или не болеет. Соответственно, всё это потом попадает в сточные воды в огромном количестве, попадает в почву, и в почве начинается очень мощный процесс отбора бактерий, имеющих вот эти мобильные элементы, которые дают устойчивость к такому типу веществ.
Е. Быковский
―
То есть это оружие, применённое в большом количестве, рано или поздно найдёт себе щит? Скорее рано, чем поздно.
Д. Гиляров
―
Да. Человек просто ускоряет процесс эволюции. Но всё равно, если это вещество, которое природного происхождения, то уже велика вероятность того, что уже эти защитные конструкции есть. Если вещество чисто синтетическое, то думали, что это займёт дольше времени. Но так как мы имеем дело с эволюцией, то оказалось, что всё равно антибиотики этого класса, фторхинолоны, действуют на определённый класс бактериальных ферментов, белков, отвечающих за топологию ДНК, её пространственную структуру. И оказалось, что есть варианты этих белков, которые сохраняют способность работать, но это, тем не менее, с этими антибиотиками не связывается, и бактерии становятся от них защищёнными.
Н. Асадова
―
Вы занимаетесь принципиально новым методом воздействия на болезнетворные бактерии. Что это за метод? Не могли бы вы подробнее про это рассказать? Это не антибиотики, так я понимаю? Или как? Объясните.
Д. Гиляров
―
В связи с тем, о чём я говорил, стратегией, принятой научным сообществом в последние годы, стал, во-первых, поиск каких-то принципиально новых структур, которые действуют на другие мишени, которые ранее не были задействованы как мишени для имеющихся классов антибиотиков. И другой путь – это поиск других агентов, поражающих бактерий. Например, это использование бактериофагов. Были попытки принять этот подход раньше и в Советском Союзе, в частности, в Грузии есть Институт бактериофагов, где мы достигли какого-то прогресса в этом отношении. То есть они даже сейчас действительно лечат людей. То есть человек выходит, из него выделяют бактерий, отбирают бактериофагов, поражающих этих бактерий. Но тут главная проблема – это прежде всего доставка, потому что если антибиотик – это какая-то достаточно маленькая простая химическая молекула, на основе которой можно сделать таблетку, сделать раствор, она проникает в кровь, распространяется по организму.
Н. Асадова
―
Действует, как атомная бомба.
Д. Гиляров
―
Проникает во все ткани и убивает бактерий.
Е. Быковский
―
Зато универсальная. Пока подготовишь своего собственного бактериофага, который подходит…
Д. Гиляров
―
Бактериофага можно приготовить достаточно быстро. Но бактерии, к сожалению, не всегда поражают те места, куда можно доставить бактериофага. То есть бактериофага можно распылить, подышать им, можно его куда-нибудь намазать на рану, но в кровь его ввести нельзя. Поэтому…
Е. Быковский
―
Можно. Только там им очень быстро займутся иммунные охранники.
Д. Гиляров
―
Поэтому бактериофаги – это, конечно, не панацея. Но ими тоже сейчас активно занимаются.
Е. Быковский
―
Итак, если я правильно понимаю, следующие стратегии: или найти новые природные антибиотики, для этого можно просеивать почву или что-то ещё делать. Потому что мы знаем совсем небольшое количество бактерий, которые растут в средах. А то, что в почве – особо не знаем. Или готовить других бактерий – убийц наших нехороших бактерий, то есть готовить хороших парней против плохих, или есть ещё один путь, которым, насколько я понимаю, вы и занимаетесь: это всё-таки какие-то искусственные структуры.
Д. Гиляров
―
Нет, я бы не сказал, что занимаюсь искусственными структурами. В последние годы одним из тех разделов биологии, который наиболее бурно развивается, стала такая компьютерная биология, то есть это связано с развитием технологий определения последовательности ДНК, секвенирования ДНК. Стало возможным секвенировать большие массивы ДНК, причём разнородного происхождения. Например, просто брать образец почвы, выделять оттуда всю ДНК, которая там есть, в частности, тут неважно, культивируемые это бактерии или некультивируемые. Это то, что называется метагеномика, то есть получать много кусочков ДНК, определять их последовательность, складывать из них потом геномы бактерий, которых мы знаем или не знаем, которые там живут.И то, чем мы занимаемся – это использование огромного количества информации, которая накапливается в открытых базах данных, для того чтобы пытаться найти какие-то новые вещества, с которыми мы не знакомы на основе наших знаний о… генах уже известных нам веществ. Например, это уже то, что непосредственно является нашей работой. Мы какое-то время изучали антибиотик, который производится некоторыми штаммами обычной кишечной палочки, эшерихия коли, это микроцин. Там несколько классов веществ. Есть микроцин B, микроцин C, другие микроцины. Это какие-то короткие… пептиды, поражающие всяких соседей вот этой самой кишечной палочки, когда она живёт где-то в своём кишечнике. То есть какое-то оружие конкурентной борьбы. Все природные антибиотики – это оружие конкурентной борьбы одних бактерий с другими просто за ресурсы, чтобы иметь вокруг себя какое-то свободное жизненное пространство, где можно как-то существовать.
Е. Быковский
―
Причём, древние орудия. Они воюют уже миллиарды лет.
Н. Асадова
―
А как будет работать вот эта штука, которую вы пытаетесь найти?
Д. Гиляров
―
Разные штуки работают по-разному. У них мишени разные. Но мишени, кстати, ещё не эксплуатируемые уже имеющимися на данный момент веществами. Но штука не в этом. Штука в том, что так как мы узнали, какие гены кишечной палочки отвечают за синтез этих веществ, там не мы узнали, узнали ещё люди, которые этим занимались до нас, мы взяли эти последовательности и провели поиск в базах данных сходных генов, то есть генов, которые могут выполнять те же функции и синтезировать какие-то вещества того же рода. И мы нашли такие вещества. Например, оказалось, что в каких-то почвенных бактериях, которые являются патогенами растений или какими-то условными патогенами растений, есть тоже… кластер, который синтезирует очень похожий пептид. Но, в отличие от пептида кишечной палочки, этот пептид был активен против другого круга бактерий. То есть родственных тем бактериям. И оказалось, что среди вот этих уязвимых… бактерий, в частности синегнойная палочка… который является одним из самых опасных патогенов с этой точки зрения.
Н. Асадова
―
Какие болезни можно лечить с помощью того исследования, которое вы проводите?
Д. Гиляров
―
Синегнойная палочка – это одна из самых опасных бактерий. Она безопасна для здорового человека с нормальной иммунной системой, но когда человек попадает в больницу, он становится иммунно ослабленным, ему вставляют, например, какую-нибудь трубку, катетер, все вот эти поверхности становятся отличными местами, для того чтобы там поселялись бактерии, начинали их колонизировать, дальше образовывали биоплёнку. Если у человека какая-то рана, то, во-первых, поверхность становится… большая незащищённая поверхность, если это ожог особенно, становится, опять-таки, такой прекрасной питательной средой для бактерий.
Е. Быковский
―
Есть эпителий, пожалуйста, проникай в организм. Я всё-таки не понял. А как же вы решаете вопрос устойчивости к антибиотикам? Это же основной был.
Д. Гиляров
―
Я скажу так. Что, конечно, решить вопрос устойчивости к антибиотикам нельзя в принципе, так как это процесс эволюционной гонки. Но мы можем проиграть в этом процессе, если мы не будем двигаться на шаг вперёд бактерий, если мы не будем думать вперёд них и предугадывать их ходы. То есть если мы привяжемся к тем веществам, которые мы уже использовали много лет и будем их пытаться модифицировать, мы уже видим, что это не работает, потому что бактерии научились защищаться от всех групп веществ скопом и переносить эти гены между собой.
Е. Быковский
―
И поэтому вы пытаетесь какие-то принципиально новые вещества.
Д. Гиляров
―
Гонка на этом не заканчивается. Но мы должны этим заниматься. Важно, что мы должны придумывать принципиально новые структуры и, желательно, такие, которые бы действовали на труднодоступные для бактерий, для их изменений мишени. Чтобы бактериям было не так просто стать устойчивыми к ним.
Н. Асадова
―
Мы начали нашу передачу с того, что вы стали стипендиатом фонда Зимина, фонда «Династия». Вам именно на это исследование выделили грант? И вообще как вы относитесь к тому, что сейчас происходит с фондом?
Д. Гиляров
―
Я стал участником программы, которая началась, если не ошибаюсь, в 2012 году. То есть фонд «Династия» сначала поддерживал физиков и математиков только. И потом они решили начать поддерживать биологов. И так как ситуация с поддержкой биологии была не очень хороша, а направление считается очень важным для современной науки, соответственно, была создана, на мой взгляд, уникальная программа, которая является аналогичной зарубежным программам fallow-ship, то есть стипендии для каких-то выдающихся молодых учёных. То есть программа была в основе конкурсная.
Н. Асадова
―
Дмитрий, я правильно понимаю, что если фонд Зимина будет закрыт, то других альтернатив у нас в стране нет?
Е. Быковский
―
Альтернативы есть, но почему они…
Д. Гиляров
―
Программа является уникальной, потому что это программа конкурсная. То есть работы молодых учёных оценивали ведущие российские специалисты, оценивали пять ведущих международных учёных, в частности, нобелевские лауреаты. И это всё в программах, предлагаемых государством, аналогов не имеет. Такая система отбора. Что касается фонда в целом, то я считаю, что закрытие фонда станет громадным ударом по нашему обществу и оп его развитию, потому что мне кажется, что главная функция «Династии» в данном случае даже не выделение грантов учёным, а именно просветительская деятельность, то есть работа со школьниками. Это, в частности, например, программа летних школ, когда талантливые школьники со всей России собираются и имеют возможность участвовать в научных проектах с российскими и международными учёными. Причём, эти научные проекты не какого-то краеведческого вида, а действительно хорошие научные проекты международного уровня. И это, конечно, публицистическая деятельность, то есть поддержка издания книжек. Я думаю, что все держали в руках вот эти научно-популярные книжки, издаваемые «Династией». У меня их у самого их очень много дома. Я думаю, что то, что люди имеют возможность их прочитать, вообще является самым важным достижением.Ситуация, происходящая с фондом, очень сильно трогает меня лично, потому что я, в отличие от многих моих сверстников, не уехал за границу, то есть я продолжаю работать здесь, и, работая здесь, я пытаюсь, как мне верится, сделать вокруг себя что-то немножечко лучше, принести какую-то пользу для всех. И фонд «Династия» для меня является каким-то чуть ли не идеальным примером собрания таких людей, которые так же совершенно бескорыстно и самоотверженно пытаются изменять нашу жизнь вокруг себя, и, более того, они собирают вокруг себя тех людей, которые что-то такое пытаются хорошее сделать. И когда я слышу, что фонд называют иностранным агентом, то я сразу чувствую какой-то удар, фигурально выражаясь, под дых, как будто всё, что я делаю, тоже, в общем, никому не надо.
Н. Асадова
―
Это может подействовать на вас и переубедить вас оставаться в этой стране, и вы уедете?
Д. Гиляров
―
Это прямо как будто ко мне постучали и сказали: знаешь, ты здесь вообще не нужен. И это очень обидно.
Н. Асадова
―
Я согласна совершенно с вами. Мы с Егором полностью присоединяемся ко всем людям из научно-популярного и научного мира, из всех людей, которые занимаются научно-популярным просветительством, в этой стране, конечно, это будет чудовищным ударом для нашей страны и для просветительской деятельности, и, конечно, позор, что такое происходит в современной России. Я напоминаю, что у нас в гостях был Дмитрий Гиляров, учёный-биолог, научный сотрудник Сколтеха, младший научный сотрудник Института биологии гена РАН и стипендиат фонда «Династия». Сейчас мы прервёмся на новости и рекламу, затем вернёмся в эту студию, никуда не уходите.НОВОСТИ
Н. Асадова: 17
―
35 в Москве. Продолжаем передачу «Наука в фокусе». У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». И ещё раз напомню, что мы в предпоследний раз выходим в воскресенье после 17. И с 12 июня мы будем выходить по пятницам после 16 часов. Так что, все наши постоянные слушатели, милости простим вместе с нами передвинуться по сетке.
Е. Быковский
―
Как правильно – предпоследний или предкрайний?
Н. Асадова
―
Предпоследний. Есть такое русское слово. Сейчас мы вам расскажем про ещё одну очень интересную тему. На этой неделе все русскоязычные и не только русскоязычные СМИ писали о такой новости, что российские учёные впервые создали сверхпроводящий кубит, необходимый для производства квантового компьютера. О квантовых компьютерах мы говорили в прошлом году, но впервые в России кубит был создан. Что это такое? Сверхпроводящий кубит может быть построен на базе различных элементов. И главная задача заключается в том, чтобы уберечь эти кубиты от воздействия окружающей среды, способного нарушить их корректную работу. В начале 2000-х годов учёные обнаружили, что кубиты могут быть построены из нескольких джозефсоновских контактов, в которых два сверхпроводника разделены тонким слоем диэлектрика. В обычных условиях диэлектрики не проводят ток. Но при атомарных размерах электроны могут преодолевать их благодаря эффекту квантового туннелирования. Про квантовую запутанность мы тоже говорили в прошлом году как-то, помнишь, с Русланом Юнусовым.Достоинством такого подхода является то, что их можно создавать с помощью современных литографических методов, используемых при создании классической микроэлектроники. В данном случае группа учёных из Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ), Национального университета МИСИС, Института физики твёрдого тела РАН и других организаций, такая большая группа учёных создала кубиты из четырёх джозефсоновских контактов на петле размером в 1 микрон. В качестве проводников в данном случае использовался алюминий, а для двухнанометрового слоя диэлектрика применялся оксид алюминия.
Дело в том, что кубиты, которые демонстрируются в разных странах, не только в России их создают, есть в США, в Австралии центры, которые уже создали такие кубиты, в Европе, в основном это Голландия и Франция над этим работают. Так вот, созданные уже кубиты в других странах показали, что они достаточно хороши, чтобы создавать квантовые процессоры, для которых требуются как минимум десятки, а то и сотни тысяч единичных кубитов. Если сравнивать с обычным компьютером, то, как в современных мощных процессорах задействованы миллиарды базисных элементов, транзисторов, которые сейчас очень-очень маленькие. Так сейчас создаётся квантового компьютера процессор на основе этих кубитов.
Так вот, новость заключается не в том, что первый в мире кубит был создан, а в том, что в России он впервые создан. И это значит, что в России есть технологии, команда учёных, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров.
Е. Быковский
―
Могут или уже включились?
Н. Асадова
―
Они включились. Но посмотрим, как это будет развиваться. И об этом мы поговорили с Иваном Храпачем, старшим приглашённым исследователем РКЦ, который также является участником и членом группы учёных, которые работают над созданием этого кубита. Давайте послушаем с ним интервью.Все обратили внимание, что в публикации не было никаких технических характеристик и экспериментальных данных по кубиту, который вы сделали в РКЦ. Обратили также внимание на то, что сам кубит не того типа, который считают сейчас основным кандидатом на базовый элемент в квантовых процессорах. Он не похож на трансмон. Вопрос у меня первый такой: почему выбрали именно такую конфигурацию и каким образом такой кубит будет управляться?
И. Храпач
―
Управляться он будет с помощью микроволновых сигналов, микроволновых импульсов. Этот кубит связан с микроволновой линией. И, соответственно, когда по ней бежит электромагнитная волна, она немножечко изменяет магнитный поток через петлю нашего кубита и таким образом создаёт нужные переходы из основного состояния в возбуждённое, то есть между нулём и единицей кубита. Почему мы выбрали именно эту петлю? В принципе на самом деле… в любом направлении, но именно такой дизайн относительно устойчив к… У нас есть представление о том, что в таком случае мы сможем в перспективе добиться хороших времён декогерентности, то есть мы достаточно долго сможем удерживать… нуля и единицы в суперпозиции, которая не будет разрушаться.
Н. Асадова
―
Скажите, когда вы планируете опубликовать экспериментальные данные. Вообще я так понимаю, что это принято в сообществе, которое создаёт квантовый компьютер.
И. Храпач
―
Публиковать здесь пока что ещё ничего нельзя. Это достижение не научное, а скорее технологическое. То, что мы смогли реализовать бит, означает, что уровень технологий у нас в России на сегодняшний день оказался развит до такой степени, что мы можем не только разговаривать о кубитах, но уже как-то начинать их делать и начинать двигаться в сторону того, что уже создавать квантовый компьютер.
Н. Асадова
―
Какие следующие шаги вы планируете сделать в ходе создания кубитов, в ходе того, как они же должны быть… То есть одного кубита мало. То есть они должны как-то все вместе работать.
И. Храпач
―
Совершенно верно. Для того чтобы создать квантовый компьютер, необходимо выполнение пяти условий. Это так называемые критерии ди Винченцо. Нужно создать физическую систему, в которой мы сможем выделить два квантовых состояния. Нужно уметь считывать эту систему, уметь записывать на неё состояния, потом нужно обеспечить достаточно большое время когерентности и научиться запутывать кубиты так, чтобы… Вот эти два последних этапа мы ещё пока не умеем делать. И этим мы и будем заниматься в ближайшее время.А если говорить о кубитах, применяемых не для квантовых вычислений, то в данный момент мы имеем искусственный атом. Кубит можно рассматривать как искусственный атом с заданными наперёд свойствами. То есть у нас есть способ инжениринга свойств атомов. И теперь мы можем их собирать в некое подобие кристаллической решётки на двумерной подложке и таким образом создавать метаматериал.
Н. Асадова
―
Какие проблемы может решить квантовый компьютер и как квантовый компьютер может изменить наш мир?
И. Храпач
―
Существует целый класс задач, который классический компьютер в принципе не может решить за разумное время. Например, задача факторизации большого числа на простые множители. Если число достаточно простое, то мы не сможем никогда создать достаточно большой компьютер, который смог бы это число разложить. Для квантового компьютера такая задача будет под силу. И в принципе существует очень много задач, которые классические компьютеры не смогут решить.Квантовые компьютеры, хотя на данный момент выполняют единичную операцию достаточно медленно, но алгоритмы у них устроены так, что в целом задача будет решаться достаточно быстро. Нельзя сказать, что в быту мы увидим их достаточно скоро, тем более что они требуют экстремальных условий для своей работы… наши кубиты будут работать при температуре около 10 милликельвинов.
Н. Асадова
―
Переведите, пожалуйста, в цельсии, потому что не все знают.
И. Храпач
―
Это -273,15 цельсия. То есть можно сказать, что это практически абсолютный ноль. Это какие-то специальные задачи с обработкой большого количества данных, задачи для материаловедения, задачи для физического моделирования. Возможно, что задачи для метеорологии. Ещё существует целый класс задач, связанных с безопасностью. То есть квантовые компьютеры позволят вам... безопасность, которая реализуется классическим способом, ну и, кроме того, квантовая информатика предлагает уже более надёжный способ шифрования информации. То есть это квантовая криптография.
Н. Асадова
―
А вот можете объяснить, может быть, как-то доступно принцип работы квантового компьютера, именно особенности? То есть элемент основной базы находится одновременно в двух состояниях по законам квантовой физики. И каким образом тогда вычисления производятся?
И. Храпач
―
Можно объяснить так. Поскольку у нас имеется возможность в одном элементе, в одном кубите хранить и ноль, и единицу, то в квантовых алгоритмах мы будем проводить вычисления одновременно и с нулём, и с единицей. Если у нас в регистре будет два кубита, то фактически у нас обработка четырёх состояний одновременно идёт. Если в регистре будет три кубита, то одновременно обработка восьми состояний. Таким образом реализуется принцип квантового параллелизма. Кроме того, квантовые алгоритмы устроены таким образом, что они не используют различную информацию, которая на конечный ответ, результат выполнения алгоритма, никак не влияет. Можно сказать, что это два таких основных свойства, которые позволяют очень сильно ускорять вычисления с помощью квантовых компьютеров.
Н. Асадова
―
А если сравнивать с работой обычного компьютера, то во сколько раз быстрее эти вычисления происходят? Если это возможно сравнивать, конечно.
И. Храпач
―
Специалисты обычно говорят – в экспоненциальное число раз быстрее. Очень трудно сказать простым языком. Можно сказать, что намного-намного быстрее.
Н. Асадова
―
А кто в первую очередь заинтересован в создании квантового компьютера и кто финансирует такие проекты у нас и в мире?
И. Храпач
―
Я бы сказал, что в первую очередь должно быть заинтересовано государство, потому что это вопросы информационной безопасности, технологической безопасности. В то же время я верю, что квантовые компьютеры найдут также применение в коммерции, в банковской сфере. И конкретно наш проект тоже частично финансировался из частных источников.
Н. Асадова
―
Я знаю, что у Google, IBM и Microsoft есть свои программы, то есть это вполне себе частные корпорации, а также люди из Apple и Intel тоже интересуются. Пока своих программ у них нет. Но они тоже заинтересованы. Тогда вопрос такой: как вы думаете, кто быстрее создаст квантовый компьютер? Это компании частные или которые с государственным финансированием, или просто государственные компании, институты какие-то?
И. Храпач
―
Я вообще верю, что частные структуры работают намного эффективнее, чем государственные. Поэтому мне кажется, что там следует ожидать прорыва.
Н. Асадова
―
Вы занимаетесь именно железом в РКЦ? То есть не алгоритмы придумываете для квантовых вычислений.
И. Храпач
―
Совершенно верно, да.
Н. Асадова
―
А какими алгоритмами, если не секрет, вы пользуетесь?
И. Храпач
―
Нам пока ещё рано говорить об алгоритмах. И вообще это в некотором смысле не наша задача. Наша задача как физиков сейчас реализовать такую систему, которая может хранить квантовую информацию. А уже дальнейшее – это дело теоретиков, дело математиков, и в принципе эта задача уже была решена в конце 1980-х – 1990-е годы. То есть нам сейчас нужно действительно создать систему, научиться запутывать кубиты друг с другом и дальше уже можно будет отдавать результат нашей работы в индустрию, если индустрия будет к этому готова.
Н. Асадова
―
А кто, на ваш взгляд, сейчас ближе всех к созданию квантового компьютера, если можно было бы хотя бы примерно прикинуть, когда, в каком промежутке времени он может быть создан?
И. Храпач
―
Мне кажется, это компания Google. И мне кажется, что в течение лет пяти у них что-то получится. Но предсказывать здесь – это достаточно неблагодарное дело, я так думаю.
Н. Асадова
―
Это был Иван Храпач, старший приглашённый исследователь РКЦ, Российского квантового центра, и член как раз группы учёных, которые сейчас разработали и создали первый российский кубит для квантового компьютера.Вообще я очень интересуюсь этой темой. Меня она завораживает. Мне кажется, что в момент, когда будет создан квантовый компьютер, это очень сильно изменит жизнь всех людей на Земле практически. В частности, мы можем стать свидетелями небывалых кибервойн.
Е. Быковский
―
Фактически их уже создавали. Просто была семикубитная машина от IBM, насколько я помню.
Н. Асадова
―
Которая могла только одну операцию просчитать, как ты помнишь: разложить число 15 на простые множители.
Е. Быковский
―
Неважно. У них же преимущества немножко другие, у квантовых компьютеров, чем у обычных. Вообще они на самом деле они очень похожи на женщину в некотором смысле.
Н. Асадова
―
Которая может пребывать одновременно в нескольких состояниях?
Е. Быковский
―
Я писал большую статью на этой неделе о физиологических и психологических различиях мужчин и женщин. Квантовый компьютер хорош тем, что он работает вообще со скоростью света совершенно несусветно, но при этом это приблизительно ответ.
Н. Асадова
―
Да. Но, тем не менее, если научиться управлять, «Укрощение строптивой» называется, если ты научишь управлять этими реакциями, ты будешь получать со скоростью света правильные ответы.
Е. Быковский
―
Совершенно верно.
Н. Асадова
―
Так вот. Я интересуюсь, поскольку спрашивала у разных специалистов, которые тоже занимаются созданием квантового компьютера, и по поводу того, кто заинтересован в создании, в первую очередь упоминают те государственные ведомства, которые связаны с разведкой. В частности, например, в США таких не меньше 16 организаций, и они как раз инвестируют в университетские программы и смешанные университетско-индустриальные проекты.Если мы уже упоминали, что Google, Microsoft, вот, Google упор делает на железо, то есть как раз создание кубитов и процессоров на базе кубитов, а Microsoft делает больше акцент на алгоритмы. Сейчас самый известный алгоритм – это алгоритм Шора и Гровера. Если кому интересно, в Википедии об этом написано. Если кто знает математику, вообще много чего можно понять из этой статьи Википедии.
IBM тоже вкладывается в железо в основном. И практически все специалисты…
Е. Быковский
―
А китайцы замерли в ожидании, чтобы когда получится, у кого-нибудь скопировать просто.
Н. Асадова
―
Да. И говоря о том, когда это возникнет, когда может появиться первое устройство, которое будет показывать квантовое ускорение, скорее всего на горизонте 5-7 лет, и тоже склоняются к тому, что скорее всего это будет всё-таки частная корпорация какая-то большая, а не государственный институт.
Е. Быковский
―
Частная корпорация с государственным финансированием, скорее всего.
Н. Асадова
―
Я не знаю, использует ли Google государственное финансирование, это я не знаю.
Е. Быковский
―
Финансирование – нет. У них денег достаточно. А вот у них там есть некоторое сращивание с некоторыми службами частично. Но это не тема нашей передачи.
Н. Асадова
―
Ну что, теперь мы переходим к нашей любимой рубрике «Вопрос-ответ». Напоминаю телефоны для СМС, куда вы можете присылать нам свои вопросы: 89859704545. Если у вас есть вопрос по поводу устройства мироздания, любимые вопросы, можете присылать их нам в прямой эфир. И вот сейчас сразу я вопрос, который в прошлый раз нам пришёл на СМС и очень нам понравился с Егором, я его озвучу: «Почему горячая вода отмывает грязь лучше, чем холодная?».
Е. Быковский
―
На этот вопрос как всегда есть два ответа. Один простой и короткий, а другой – подлиннее. Простой заключается в том, что вода вообще не отмывает жир и грязь на самом деле, практически никакая – ни горячая, ни холодная. Горячая это делает чуть лучше, возможно. Исключительно потому, что воде трудно растворить в себе жиры. Вода двуполярная, жиры – однополярная, они практически друг с другом никак не контачат, и, кроме того, у воды сильное поверхностное натяжение. Поэтому не удаётся ей в себе никак растворить жир.Если воду нагреть, то она становится чуть менее поверхностно натяжённой и ей чуть проще работать с жирами. Но всё равно на самом деле, если вы что-то моете жирное и грязное, то лучше добавить в горячую или в холодную воду поверхностно-активные вещества. Они есть во всех моющих средствах, они ослабляют поверхностное натяжение, и вода начинает реагировать с жирами, растворять их в себе. То есть это не раствор, получается эмульсия такая. Самый интересный пример эмульсии – это молоко.
Мы просто по привычке моем горячей водой вместе с моющими веществами. Можно и холодной мыть. Если к способности растворить жир горячесть прибавляет, там, 5%, то моющее вещество – 95%. Можно и холодной мыть. Я ответил?
Н. Асадова
―
Ответил, да. Тогда следующий вопрос от Марины нам пришёл: «Угрожает ли wi-fi нашему здоровью?».
Е. Быковский
―
Тоже можно по-разному отвечать, Марина, на этот вопрос.
Н. Асадова
―
Есть версии, что может угрожать?
Е. Быковский
―
Я бы обратил внимание на всякие потенциальные опасности неиспользования wi-fi. У меня раньше были провода всякие по дому проложены. Во-первых, их собака грызла, во-вторых, я о них спотыкался. Поэтому, по-моему, всё-таки wi-fi менее вреден, чем его отсутствие. А что касается серьёзного ответа и исследований по этому поводу, wi-fi уже довольно давно применяется широко, лет 20, и, конечно, сначала с ним были связаны определённые опасения, потому что его частота близка к излучению микровольных печей, а если вспомнить, на что способна микроволновая печь, это не удивительно, что и wi-fi тоже опасались. Но тут надо, во-первых, сказать, что интенсивность излучения wi-fi гораздо ниже, чем микроволновки, на порядки. Поэтому она не производит такого же разогревающего эффекта.Но за многие-многие годы не удалось обнаружить никаких негативных воздействий wi-fi. То есть мы не можем отрицать, что есть какой-то эффект воздействия на здоровье, но он настолько микроскопический, что если за 20 лет мы его не заметили, скорее всего и не заметим никогда.
Н. Асадова
―
Тогда можно вопрос от Наргиз из Москвы, только что мне пришёл в голову, я знаю, что ты к нему не готовился, но, может быть, тебе есть что сказать по этому поводу: от микроволновки, от того, что ты разогреваешь пищу в ней, это как-то может навредить здоровью?
Е. Быковский
―
Нет. Здоровью никак не может навредить. У тебя, например, есть кошка?
Н. Асадова
―
Нету.
Е. Быковский
―
Если бы у тебя была кошка, то не надо было бы кошку сушить внутри микроволновки. Серьёзно. Или разогревать какие-то продукты, которые там не надо разогревать, типа яиц, оно просто взорвётся. А клетки кошки настолько разогреются, что она может погибнуть. То есть лучше не совать живые существа внутрь, но для человека это не опасно. И особенно, конечно, не опасна еда, которая там приготовлена. Она может потерять некоторые свои вкусовые качества и, возможно, некоторые полезные качества, но несущественно.
Н. Асадова
―
Хорошо. Потому что я всегда опасалась микроволновок, скажу честно.
Е. Быковский
―
Микроволновка на тебя не набросится.
Н. Асадова
―
+79859704545. На этот телефон вы можете присылать свои СМС-вопросы в нашу передачу. И мы с Егором собираем эти вопросы и стараемся ответить на них в следующей передаче. Сразу скажу, что не на все мы сразу отвечаем, потому что не всегда находим нужных специалистов и не так быстро. Но, тем не менее, самые интересные, самые познавательные вопросы мы для себя выписываем и работаем над ними. +79859704545.Следующий вопрос, который был прислан нам в одной из передач от Александра: «Какая звезда из всех открытых вращается быстрее всего?». Надо понять, она вращается вокруг своей оси.
Е. Быковский
―
Вокруг своей оси, видимо, да. Многие звёзды вращаются. Но быстрее всех вращается одна горячая голубая звезда. Массой она в 25 раз больше Солнца, довольно большая. Она называется VFTS 102.
Н. Асадова
―
Хорошее имя.
Е. Быковский
―
Она далеко от нас. Находится она в туманности Тарантула. Оболочка этой звезды вращается со скоростью 600 км/с.
Н. Асадова
―
А Солнце как быстро вращается?
Е. Быковский
―
Ты представь себе, что эта звезда вращается со скоростью 2 млн километров в час.
Н. Асадова
―
Представить себе не могу. Извини.
Е. Быковский
―
Никто не может себе представить. В принципе даже непонятно, почему оболочку до сих пор не сорвало с этой звезды и не унесло в космос. Видимо, это скоро произойдёт. И, возможно, такое быстрое вращение началось недавно. Причина его до конца не ясна, до звезды далеко, повторю. Но, возможно, она была когда-то частью системы двойной звезды, её до такой степени разогнало присвоенное ей когда-то вещество бывшей компаньонки, что она не может остановиться. Но это среди нормальных звёзд она вращается быстрее всех. То есть обычных, которые светят, которые похожи на Солнце.А есть ещё пульсары. Такие полузагадочные объекты. Они называются квазизвёздные объекты. Это нейтронные звёзды, появившиеся в результате взрыва сверхновых. Среди пульсаров быстрее всех вращается звезда с потрясающим именем… Он делает полный оборот вокруг оси 616 раз за секунду. То есть скорость на экваторе этой нейтронной звезды составляет примерно 70 тысяч километров в секунду, или 250 млн км/ч. Это почти четверть скорости света.
Н. Асадова
―
Ужас. А как вообще измеряется здесь скорость? Откуда мы знаем, что они вращаются с такой скоростью?
Е. Быковский
―
Это хороший вопрос. На него придётся отвечать. Давай мы пригласим Сергея Попова или кого-нибудь ещё. Они нам расскажут, как измеряется расстояние до звёзд, как измеряется то, с какой скоростью они вращаются. Очень хорошая тема.
Н. Асадова
―
По поводу того, как измеряется расстояние до звёзд, я недавно в книжке прочитала прекрасную историю. Оказывается, как раз эти пульсары играют существенную роль.
Е. Быковский
―
Пульсар – одна из главных свечей.
Н. Асадова
―
И в начале XX века женщина-учёный, на самом деле лаборант, придумала именно, что с помощью пульсаров можно измерять расстояние до звёзд. И тогда с помощью этих измерений подтвердили теорию о расширяющейся Вселенной.
Е. Быковский
―
А почему ты так подчёркиваешь, что это женщина?
Н. Асадова
―
Потому что в то время, кстати говоря, женщин даже до телескопа не допускали. И она сделала это открытие, просто работая в лабораториях с фотографиями, которые поступали им как секретаршам, чтобы они их как-то там что-то с ними делали.
Е. Быковский
―
Не допускали совсем?
Н. Асадова
―
Именно не допускали, да. Последний вопрос, на который мы успеем ответить – от Надежды: «А на других планетах, кроме Земли, тоже бывает глобальное потепление?».
Е. Быковский
―
Ещё как. Некоторые планеты по сравнению с Землёй дадут нам фору в 100 очков вперёд. Вообще, конечно, сам термин «глобальное потепление» употребляется в отношении повышения средних температур на Земле и именно в течение последнего столетия. Потому что у нас вообще за историю Земли были потепления-похолодания такие, что сейчас бы и не снилось. Но нынешнее, вероятно, происходит благодаря человеческой активности. В частности, сжиганию всяких ископаемых углеводородов. Но, конечно, температура может повышаться на других планетах, в основном, из-за так называемого парникового эффекта, проявлением которого, в частности, считают и глобальное потепление.Парниковый эффект может возникнуть из-за повышения в атмосфере, если есть атмосфера, процентного содержания углекислоты, метана или каких-то похожих газов. Например, на Марсе есть небольшой парниковый эффект. Но самый выдающийся пример – это, конечно, Венера. Венерианская атмосфера в 50 раз плотнее земной и практически полностью состоит из тяжёлой углекислоты. А это очень эффективный парниковый газ. Температура венерианского воздуха на поверхности – около 450 градусов Цельсия. Это выше точки плавления свинца. У них там случилось глобальное потепление так глобальное потепление.
Н. Асадова
―
Спасибо. К сожалению, наше время подошло к концу. Я напоминаю, что с вами были Наргиз Асадова и Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». Вам всем до свидания.
Е. Быковский
―
И прекрасного воскресного вечера.