Майкл Фридман (Michael Freedman) - исследователь Microsoft Research - рассказывает о своей работе по созданию квантового компьютера.
Что объединяет научные исследования и скалолазание? Разумеется, сама идея восхождения - трудного, сложного и опасного подъема, который никогда не идет по прямой.
Поэтому не удивительно, что Фридман - профессиональный математик и альпинист любитель, научные интересы которого на протяжении последних лет составляют квантовые вычисления и создание квантового компьютера.
Квантовые вычисления - это область исследования, которая использует принципы квантовой физики для создания более эффективных компьютеров и изучает алгоритмы, которые эти компьютеры могут выполнять. В обычном компьютере транзисторы хранят биты информации, и каждый бит имеет значение 1 или 0. Если включить транзистор, он будет представлять единицу, выключить - и он будет содержать ноль. В квантовом компьютере традиционный бит сменяется так называемым квантовым битом, или квабитом.
Квабит хранится не в транзисторе, а в особом квантово-механическом состоянии, таком как поляризация фотона, спин электрона или в еще более необычной степени свободы. В соответствии с принципом суперпозиции квантовой механики, в любой момент спин электрона может быть направлен вверх и вниз с заданными "амплитудами". Амплитуды являются ключевым моментом, поскольку они представляют квадратные корни вероятностей. Если сложить квабиты, они дадут комбинацию значений 2^n с произвольными амплитудами.
Благодаря способности управлять амплитудами квантовый компьютер может работать в экспоненциальное число раз быстрее традиционных компьютеров - достаточно быстро, чтобы, к примеру, взломать наиболее стойкие из современных алгоритмов шифрования.
Именно поэтому, собрав внушительную команду математиков и физиков, Фридман штурмует интеллектуальный Эверест - создание квантового компьютера. В случае успеха он со своими коллегами создаст самое мощное вычислительное устройство из когда-либо существовавших.
Фридман родился в Лос-Анджелесе, всего год проучился в Калифорнийском университете в Беркли перед поступлением в аспирантуру математического факультета в Принстоне. В 1973 году в возрасте 22 лет получил докторскую степень и вернулся в Беркли преподавать.
В середине 1970-х, будучи профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего, Фридман работал над проблемой, почти столетие волновавшей умы математиков - загадкой, впервые сформулированной в 1904 году французским математиком Анри Пуанкаре. В 1981 году, после семи лет напряженной работы, Фридману наконец удалось доказать гипотезу Пуанкре для четырехмерных многообразий (аналогичное доказательство для трехмерных многообразий предложил наш соотечественник Григорий Перельман). Спустя пять лет, в возрасте 36 лет, он получил за эту работу премию Филдса (аналог Нобелевской премии для математиков).
Однако, уже в 1997 году Фридман оставил научное сообщество, чтобы войти в состав Microsoft Research и заниматься квантовой топологией и физикой. Позже, в 2004 году, он обратился к генеральному директору по исследованиям и стратегии Microsoft Крейгу Мунди (Craig Mundie) с предложением о создании исследовательской группы для изучения квантовых вычислений.
Мунди поддержал инициативу, сказав Фридману, что для этого необходимо не только сформировать исследовательскую группу Microsoft, но и привлечь ученых со всего мира. Так появились Station Q - небольшая группа математиков и физиков, приглашенных Фридманом в Microsoft, и расширенная группа примерно из 50 экспериментаторов со всего мира, которые совместно со Station Q проводят фундаментальные исследования по созданию первого квантового компьютера. Вот, что сам Фридман рассказывает о своей работе:
- Чего Вы добились с момента основания Station Q?
- Мы открыли материалы, которые существуют только при сверхнизких температурах и обладают весьма необычными свойствами. Последние пять лет мы старались лучше понять их свойства и возможности. В ходе этой работы мы продемонстрировали, что теоретически они могут быть идеальным решением для создания масштабируемого квантового компьютера. Впереди нас ждет еще очень много опытов, но мы приближаемся к моменту, когда сможем показать, что при нужных условиях один из этих материалов обладает может стать базовым для создания квантового компьютера.
- На прошедших выходных состоялось заседание Station Q и расширенной группы мировых специалистов. Можете ли вы рассказать о каких-либо важных достижениях?
- Мы обсуждали значительный прогресс в нашем нынешнем топологическом подходе, но также огромный интерес вызвали альтернативные материалы, которые могут открыть другой путь к созданию квантового компьютера. Мы будем продолжать исследования в обеих областях.
- По-вашему, сможете ли вы создать квантовый компьютер при жизни, или вы закладываете основу для следующего поколения физиков и математиков?
- Я очень нетерпеливый человек, поэтому, конечно, я хочу добиться результата, пока я работаю над проектом. Мне не хочется передавать эту работу кому-то еще.
- Справедливо. Если квантовый компьютер будет создан, как его можно использовать?
- Наиболее перспективным представляется использование в области криптографии. Но оно не сравнится с революцией в конструировании сложных материалов. Моделирование свойств любого материала - очень сложная задача, даже если речь идет об обыкновенной воде. Но если для моделирования квантовой системы использовать квантовый компьютер, эти вычисления проходят во много раз быстрее. Мы считаем, что квантовый компьютер сможет помочь в разработке еще не изобретенных материалов, экзотических магнитов, развитии спинтроники и перспективного проектирования, а также создании фармацевтических препаратов.
- Предполагается ли использование в других сферах?
- Конечно, но наиболее важные области применения невозможно предугадать. Это все равно, что спросить в 1940 году, как мы будем использовать компьютеры в 2010. Многое, для чего будут использоваться квантовые компьютеры, находится за пределами нашего воображения. Но основополагающий потенциал квантового компьютера настолько велик, что мы просто уверены в его широком применении в будущем.
- Вы получили премию Филдса за решение проблемы, которая существовала почти столетие. Какие чувства вы испытали?
- Мои усилия лишь завершили цепочку постепенного приближения к разгадке. Сто лет назад никто понятия не имел, как решать подобные задачи. Но не думайте, что сегодня, по прошествии 100 лет, исследователь-одиночка берет и решает столь сложную проблему самостоятельно. Скорее, знание и понимание проблемы научным сообществом достигает определенного уровня, и находится кто-то, кто складывает все это вместе, формулирует новую идею и приводит всю проделанную работу к завершению.
- Некоторые вполне могли бы сойти с ума, работая над математическими и физическими задачами такого масштаба.
- Вообще, обдумывание задачи помогает обрести душевное спокойствие. Меня успокаивает тот факт, что кванты существуют везде. В определенном смысле это избавляет меня от страха существования.
- Работа - единственный способ обрести душевное равновесие?
- Нет - у меня есть еще скалолазание.
Если вы покоряете гору в одиночку или ведете группу, вы отвечаете за то, какой путь выбрать, куда ставить руки, ноги и экипировку. Поначалу это трудно, но когда вы набираетесь опыта, вы входите в состояние безмятежности сродни медитации. Занятие математикой и физикой в свои лучшие моменты дает мне похожее ощущение.
- Как Вы думаете, откуда у вас дар к математике?
- Мой отец был одаренным математиком. Он был зачислен в Колумбийский университет, когда ему было всего 13, но он был вынужден бросить учебу до ее окончания, чтобы зарабатывать деньги и кормить семью. Он стал зарабатывать, сочиняя шутки для бродвейских шоу и радиопрограмм. Во время второй мировой войны он перебрался в Калифорнию и работал авиационным инженером в Hughes Aircraft. Он лично встречался с Говардом Хьюзом. Писать он тоже не перестал. Днем он конструировал хвостовую часть Spruce Goose, а вечером писал сценарии юмористических радиошоу. При отце я всегда робел: казалось, нет такой интеллектуальной задачи, с которой бы он не справился.
- А ваша мама?
- Она совсем не разбирается в математике. Она была танцовщицей, а затем писательницей и художницей. Она - из мира искусства.
- Вы разделяете математику и искусство?
- Не вполне. Часть математики, разумеется, кроется в способности понимать формулы и расчеты. Но в математике также присутствует симфонический элемент. Необходимо понимать, как звучит целое, как и куда оно течет... Чтобы не потеряться в мелочах, действительно важно иметь чувство направления, присущее художнику.
- считаетесь одним из самых блестящих математических умов мира. Есть что-нибудь, что Вы делаете не столь хорошо, но хотели бы уметь это делать лучше?
- Я бы хотел иметь более развитые способности к музыке. Моя сестра - оперная певица, и я часто думаю, какого гена не хватает мне, чтобы создавать музыку самому. Если бы я еще мог что-то добавить в свою жизнь - это умение играть на рок-гитаре.