Алексей Федоров, руководитель научной группы КИТ Российского квантового центра, директор института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС
— Как к 30-ти годам стать самым молодым профессором в истории Московского физико-технического института?
— Зачем квантовый компьютер, квантовый интернет, и как они конкурируют с классическими алгоритмами?
— В какой точке на дорожной карте развития квантовых технологий сейчас находится Россия?
— Как страна учится трансформировать знания в технологии, проекты, решения индустриальных и экономических задач?
А также о том, как телевизионные сериалы определяют будущее, нужна ли Алексею Федорову Нобелевская премия, и есть ли в России мода на науку?
Путь в науку
В науку меня привела цепочка случайных событий. Мы с моей семьей увлеклись сериалом «Остаться в живых». В нем было много «пасхалок» – указаний на разные научные, культурные произведения, многих героев звали, как ученых или философов. В сериале рекомендовали книгу Стивена Хокинга «Краткая история времени». И моя, наверное, первая в жизни научная гипотеза сформулирована была так: «Если я прочитаю эту книгу, возможно, я пойму, что будет в следующем сезоне сериала». Самое важное, что я почерпнул из книги – это то, что физика очень бурно развивается, есть огромное количество научных вопросов, над которыми бьются лучшие умы нашего мира, физика – это то, что существует далеко за пределами школьной программы. Наверное, с того момента и начался мой интерес, захотелось все больше погружаться в научные вопросы. Было такое состояние: ничего непонятно, но очень интересно. Тогда я учился в 8-9 классе примерно.
Бауманка
В моей семье несколько поколений инженеров и считается, что инженерное образование – это ключевая вещь для человека. Поэтому я пошел в инженерный ВУЗ. И учеба там, безусловно, наложила отпечаток на мою систему мышления.
Я благодарен руководству кафедры, на которой учился, потому что мне разрешали добирать дополнительные предметы, ходить на лекции, семинары, делать научные работы, которые напрямую не коррелировали с тематикой выбранной специальности. В итоге я стал заниматься квантовой криптографией. С одной стороны, это связано с физикой, а с другой стороны, имеет отношение к системам защиты информации, которыми я занимался в университете.
Тяга к познанию
Есть какие-то вещи, которые внутренне не отпускают, а мне всегда было любопытно, как что устроено, хотелось разобраться до микроскопических деталей и выстроить полную логическую цепочку. А наука – это профессиональная деятельность по поиску таких логических моделей, когда есть что-то непонятное и ты ищешь объяснение.
Дорожная карта развития квантовых технологий в России
С 2020 года реализуется Дорожная карта по квантовым вычислениям. За разные ее части отвечают Росатом и РЖД.
До появления Дорожной карты были научные группы в разных университетах, научных центрах, они создавали первые прототипы устройств для квантовых вычислений. К примеру, был двухкубитный квантовый компьютер на сверхпроводниковой системе, были первые образцы устройств квантовой связи, а благодаря Дорожной карте количество кубитов значительно выросло.
Сейчас мы работаем в системе, в которой уже 16 кубитов и это количество будет увеличено. Кубит – элементарная единица квантового компьютера. Количество кубитов указывает на вычислительную мощность, чем больше кубитов, тем больше регистр, которым вы можете оперировать. Мы видим кратное увеличение количества кубитов.
В данный момент одновременно ведется работа разными коллективами по построению квантового компьютера на различных физических принципах. Это очень сложные проекты, наукоемкие, технологически нагруженные. Мы видим довольно существенный прогресс по всем ключевым направлениям, которые развиваются и в России, и в мире.
Мы стартовали с единичных кубитов, а сейчас можем удаленным образом запустить через облако на квантовом компьютере какой-то квантовый алгоритм, например, моделирование небольшой молекулы. Технологически сделаны большие шаги вперед, сформировались очень сильные коллективы, по отдельным направлениям есть возможность конкурировать с зарубежными коллегами.
Год от года это направление набирает обороты, стала ясна стратегическая важность его развития, чтобы решать задачи, связанные с обработкой, передачей, защитой информации. Правительство приняло решение о создании Дорожной карты – документа, который описывает текущий статус и некоторые векторы развития.
Квантовые технологии
Квантовые технологии – это бурно и активно развивающееся направление, идея которого состоит в том, что можно, управляя самыми мельчайшими объектами, которые есть в нашем мире, решать разные технологические задачи. Например, если взять массив атомов, научиться кодировать информацию, совершать с этими атомами логические операции, то можно построить квантовый компьютер – устройство, которое может решать задачи недоступные для решения даже самому мощному классическому суперкомпьютеру.
Квантовый компьютер работает на основе обработки кубитов. Кубит – это двухуровневая квантовая система. Она является некоторым обобщением понятия бита (состояние — или 0, или 1). Квантовый бит может быть в состоянии и 0, и 1 одновременно, так устроена квантовая механика. Для классических объектов непонятно, как может быть так, что, к примеру, стол стоит в двух местах одновременно. Но стол большой и подчиняется законам классической макроскопической физики. Для микроскопических объектов состояние суперпозиции является обычным, и для квантовых вычислений – это значительный ресурс.
Одно из направлений, которое мы практически сразу начали развивать – это использование не двухуровневой квантовой логики, когда есть два состояния, а многоуровневой – так называемые квантовые вычисления на основе кудитов. Оказывается, на текущем этапе развития технологий квантовых вычислений это может быть предпочтительным способом их развития и позволяет экономить ресурсы при реализации квантовых алгоритмов. Более того, большинство физических платформ, на которых мы строим квантовые компьютеры, позволяют кодировать информацию не обязательно в кубиты, а в кудиты, в тех же атомах можно выбрать не два энергетических уровня, а больше. И эта многоуровневая классическая логика может быть реализована в квантовом случае.
Квантовый интернет
Квантовый интернет – одна из следующих идей того, как квантовые компьютеры и квантовые технологии могут развиваться. Есть квантовый интернет в узком смысле, а есть квантовый интернет в широком смысле. Квантовый интернет – это концепция, когда квантовые устройства могут обмениваться квантовой информацией. Это позволяет преодолеть одну из ключевых проблем, которая сейчас существует с квантовыми компьютерами, проблему контролируемого масштабирования.
Сейчас мы знаем физические платформы, на основе которых можно создавать кубиты. Мы можем достигать в определенной физической системе некоторого количества кубитов. А если продолжаем масштабирование, то оно очень сильно влияет на качество операции, накапливаются ошибки, и решать задачи мы не можем. Поэтому есть идея, что мы берем систему из ста кубитов и вторую систему из ста кубитов, при помощи квантовых интерфейсов, связанных между собой, их вычислительные возможности перемножаются, и мы получаем распределенный квантовый компьютер. Это похоже на многоядерную архитектуру процессора, когда у нас не один процессор, а много ядер, соединенных между собой. Это квантовый интернет как способ масштабирования квантового компьютера.
Если говорить футуристично, то, конечно, квантовый интернет – это когда разные квантовые компьютеры большой мощности соединены между собой в единую сеть. Для этого необходимо развивать помимо технологии квантовых вычислений квантовые коммуникации. Сейчас первые серьезные эксперименты в этом направлении проводятся. В университете МИСИС наш стратегический проект называется «Квантовый интернет». Мы работаем над тем, чтобы соединить наши компетенции по квантовым коммуникациям, квантовым вычислениям в направлении масштабирования квантовых компьютеров.
Экономическая польза квантовых компьютеров
Сейчас ни один квантовый компьютер в мире не является экономически оправданным инструментом решения тех или иных задач. Самые мощные квантовые компьютеры могут в тестовых задачах обгонять классический суперкомпьютер. В случае же полезных задач классические технологии пока обгоняют квантовые.
Следующий большой шаг – нарастить вычислительную мощность квантового компьютера до уровня, когда первые практические задачи квантовые компьютеры смогут делать более эффективным образом. Тяжело прогнозировать, когда это может случиться. Но уже безусловным преимуществом появления квантовых компьютеров и большого внимания к этой сфере является тот факт, что появляется огромное количество новых классических алгоритмов. Мы начинаем соревноваться с поколением алгоритмов, которое постоянно прогрессирует.
Сегодня задачи индустрии – это решение сложных вычислительных задач, связанных с оптимизацией, с большими данными. Но квантовый компьютер не предназначен для обработки больших данных, они эффективны тогда, когда нужны быстрые вычисления. К примеру, есть задача оптимизации маршрутов тысяч транспортных средств в большом городе. Решение такой оптимизационной задачи занимает много времени. И как мы ожидаем, в таком классе задач квантовый компьютер может быть значительно более эффективным, чем классический.
Задача до 2031 года
Мои коллеги работают над тем, чтобы создать физические платформы, то есть «железо», а мы работаем, чтобы найти задачу и создать для нее квантовый алгоритм. Мы разработчики квантовых алгоритмов и квантового программного обеспечения для решения индустриальных задач. Сейчас мы делаем первые пилотные проекты в этом направлении. Пока квантовый компьютер не является более эффективным инструментом решения тех или иных задач. Но задачи оптимизации в части логистики или оптимизации производственных процессов, задачи моделирования лекарств уже решаем на небольших квантовых компьютерах, которые нам доступны. Наша цель – найти такое приложение в ближайшее время, где квантовый компьютер может быть экономически востребованным.
Про популяризацию науки
Широкая общественность знает, что наука нужна, чтобы открывать новые явления мира, понять, как устроена Вселенная. Это может не иметь практического эффекта. Ученый может понять, как устроены черные дыры, рассказать об этом широкой общественности, и в массовом сознании будет понимание, что мы продвинулись на еще один шаг вперед в части познания законов мира, в котором живем.
Думаю, для людей, которые профессионально не занимаются наукой, важно ощущать, что наука приоткрывает что-то каждый раз, докрашивает маленькими штрихами нашу картину и показывает, как необычно, как интересно, как парадоксально устроен мир. Эти знания вдохновляют людей.
Про востребованность научных исследований
По моим ощущениям количество заинтересованных индустриальных компаний в квантовых вычислениях растет.
Не так давно вместе с Газпромбанком мы учредили премию для технологий будущего, тех, что сегодня являются наукоемкими разработками, но имеют потенциал в горизонте 10-12 лет превратиться в некоторые приборы, устройства, которые имеют потенциал применения и принесут некоторый экономический эффект.
И чем больше таких инициатив, как эта премия, будет, тем более ярко будут видны результаты. С моей точки зрения, сегодня государство делает очень много для того, чтобы поддержать ученых. Есть широкий спектр грантовых программ, различной поддержки аспирантам, молодым ученым, кандидатам, докторам, чтобы развивать научную группу и научные исследования.
Модно ли заниматься наукой в России?
Мне кажется, модно, но я тут человек предвзятый, потому что всю свою жизнь в науке. Я вижу классных, молодых, интересных, модных ребят с широким кругозором, которые занимаются спортом, играют в рок-группах, участвуют в театральных постановках, и при этом занимаются наукой. Глядя на них, я думаю, что идти в науку классно, модно и интересно.
Инициатива Десятилетия науки и технологий, направлена на то, чтобы повысить престиж профессии ученого, чтобы люди понимали, занимаясь наукой, что можно развиваться, строить карьеру, получать достойную зарплату. Если хочешь внедрять свои знания в экономику, заниматься просветительской деятельностью, то это очень интересная, классная жизнь, в которой много плюсов и, конечно, в ней огромное количество вызовов. Путь ученого – это здорово.
Я учился в аспирантуре во Франции. И когда закончил ее, то был выбор продолжить международную научную карьеру или поехать в Россию… А что-то внутри меня всегда хотело сказать, что надо играть за «сборную России», приносить пользу своей стране. Повторюсь, для этого сейчас созданы все возможности.
Связка наука – современное производство
Трансфер знаний – главный вопрос, волнующий людей, которые занимаются управлением наукой.
Однажды британского премьер-министра привели в лабораторию, чтобы показать первые результаты работы по электричеству. Он спросил: «Что с этого будет иметь страна?». Ему ответил один из ученых: «Вы будете иметь налоги».
Отсюда вывод: нужны люди, которые будут трансформировать научные знания, формулировать требования, чтобы научное знание становилось технологиями, приборами и так далее. Нужна профильная ориентация людей, у которых есть предпринимательская жилка. Это может быть человек с фундаментальным образованием, но его нужно прокачать до будущего лидера технологического проекта. Нужны люди, которые могут разговаривать с учеными, языком ученых, а с инвесторами языком инвесторов.
Если речь идет о наукоемких направлениях, которые требуют довольно большого масштаба инвестиций, на которые бизнес не всегда готов, то государство играет очень серьезное значение в их развитии. До начала Дорожной карты тоже были государственные и частные инвестиции. Но Дорожная карта помогла масштабировать этот эффект и выйти на принципиально новый уровень в нашей стране.
Про мечту
Очень трудно отделить в данный момент, что такое мечта, а что такое цель. Я мечтаю о том, чтобы наша цель реализовалась. А цель – это полезный квантовый компьютер.
Про Нобелевскую премию
В научном мире уважения достигают те люди, которые создают научные школы, после которых остается цепочка способов мышления, передачи данных, которые переживают конкретного человека. Есть люди, которые не получили Нобелевскую премию, но в крупнейших институтах висят их портреты и их считают основателями научных школ. Один из таких примеров – Боголюбов, это человек, который, безусловно, заслуживал получить Нобелевскую премию, причем не один раз, и не получил по непонятным причинам. Многие говорят, что его работы были настолько сложны, что люди не могли их понять. А его научное наследие развивается, его книги читают… Это говорит гораздо больше о нем, чем говорила бы Нобелевская премия.
Есть, к примеру, человек, который получил по физике премию дважды. Это Джон Бардин. Но считается ли он самым великим физиком в истории человечества?.. Безусловно, он выдающийся человек. А у Альберта Эйнштейна — одна Нобелевская премия.
Я знаю десятки российских, советских физиков, которые являются безусловными великими учеными и основателями научных школ, которые по какой-то причине Нобелевскую премию не получили. Делает ли это их менее великими учеными? Нет. Делает ли их великими учеными тот факт, что они оставили после себя огромное научное наследие? Да.
Тайм-код:
- 01:34 Блиц
- 02:52 Послужной список Алексея Федорова
- 03:30 «Мне повезло, что в моей жизни встречались люди, которые меня много чему учили»
- 04:43 Первый шаг в науку: «Мы с моей семьей в один момент увлеклись сериалом «Остаться в живых»
- 06:43 Почему Бауманка: «В моей семье считалось, что инженерное образование — это ключевая вещь для человека»
- 08:10 Про тягу к познанию: «Есть какие-то вещи, которые вас внутренне не отпускают, хочется разобраться до микроскопических деталей»
- 08:51 «Квантовый компьютер — устройство, которое может решать задачи, которые недоступны для решения классическому суперкомпьютеру»
- 10:21 Про Дорожную карту по квантовым технологиям в России
- 11:25 «Технологически сделаны большие шаги вперед, сформировались очень сильные коллективы, по отдельным направлениям есть возможность конкурировать с нашими зарубежными коллегами»
- 12:59 «Одно из направлений, которое мы начали развивать — идея использования не двухуровневой квантовой логики, а многоуровневой, так называемые квантовые вычисления на основе кудитов»
- 15:25 «Квантовый интернет — одна из следующих идей того, как квантовые компьютеры и квантовые технологии могут развиваться»
- 18:36 «Если говорить о следующем большом горизонте, то это экономическая полезность квантовых компьютеров»
- 21:17 «Многие задачи индустрии связаны с решением сложных вычислительных задач, с оптимизацией, с большими данными. Но квантовые компьютеры — это история про быстрые вычисления»
- 22:25 Про новый нацпроект по формированию экономики данных
- 22:59 «Мы разработчики квантовых алгоритмов и квантового программного обеспечения для решения индустриальных задач»
- 24:28 «Проблемой более глубокого уровня является индекс востребованности науки экономикой, обществом»
- 26:37 «По моим ощущениям количество заинтересованных индустриальных компаний в квантовых вычислениях растет»
- 27:24 «Мы с Газпромбанком учредили премию для будущих технологий, которые имеют потенциал применения»
- 28:34 Модно ли в России заниматься наукой
- 30:17 План Алексея Федорова на 10 лет вперед: «Меня полностью устраивает то, что у меня есть сейчас»
- 32:03 Про мысли во время учебы за рубежом: «Надо играть за сборную России и приносить пользу своей стране»
- 33:03 Про Координационный совет по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте Российской Федерации по науке и образованию
- 34:30 Что такое хорошая популяризация науки: «Популяризация не должна заменять собой образование»
- 37:48 «Одна из задач в рамках Десятилетия науки и технологий — сделать так, чтобы количество людей, которые мечтают выбрать научную стезю, росло»
- 39:10 «Трансфер знаний — главный вопрос, который занимает людей, которые занимаются управлением, наукой и так далее»
- 43:30 Про участие государства в поддержке наукоемких направлений
- 44:35 Какие книги читает Алексей Федоров
- 45:41 О чем мечтает Алексей Федоров: «Очень трудно отделить в данный момент — что такое мечта, а что – цель»
- 46:32 «Я в своей жизни видел людей, которые очень хотели получить Нобелевскую премию, но их паттерн мышления мне не близок»