Время нырять в будущее

Серфингисты знают, что найти и оседлать подходящую волну непросто. В штиль скользить по водной глади не интересно, а в бурном море велик шанс сорваться с гребня. Только опытный спортсмен понимает, как получить от стихии максимум продвижения и свободы. И выйти из воды более сильным.

Будущее несется на нас как волна. Мир становится все более хрупким. А происходящие в нем изменения – все более быстрыми. Уходят в прошлое привычные стратегии технологических компаний – инвестировать в прикладные исследования с низким уровнем риска. Уходят в прошлое привычные направления, по которым велись исследования и разработки. Уходят в прошлое привычные научные постулаты и догмы. А что придет им на смену?

Старый новый квантовый мир

Если посмотреть на главную премию научного мира – Нобелевскую, то этот год показал нам следующее. В номинации «физика» награды удостоены трое ученых – француз Алан Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Зейлингер – за проведение экспериментов с квантово-запутанными фотонами, а также доказательство нарушения неравенства Белла и за первопроходство в области квантовой теории информации в целом. Но чуть ранее, премия Breakthrough Prize, учрежденная Марком Цукербергом, Сергеем Брином и Юрием Мильнером, в категории «Фундаментальная физика» также присуждена за работы в области квантовой информации. Ее получили Чарльз Беннетт, Жиль Брассар, Дэвид Дойч и Питер Шор. Благодаря их работам мы получили теоретическое обоснование для создания квантовых компьютеров. Такое внимание научного сообщества к границам познания квантового мира не случайно. Наука постепенно подбирается к моменту, когда фундаментальные исследования физики и математики квантового мира становятся основой технологического прорыва.

Закономерно, что одним из трех первых лауреатов Научной премии Сбера стал академик РАН, главный научный сотрудник Математического института им. В.А. Стеклова РАН Александр Холево.

Награда ему присуждена за основополагающий вклад в квантовую информатику и работы, открывающие путь к принципиально новым системам коммуникаций и вычислений. Если говорить метафорично, то Холево доказал аналог теоремы Шэннона для квантовой информатики. Уходящий год вознаградил не только исследователей в фундаментальных науках, но и демонстрирует реальные возможности квантовых технологий, которые создаются прикладными исследователями. Российским физикам за последнее время удалось войти в тройку лидеров по ряду значимых направлений. Россия в числе первых, наряду с США и Австрией, получила прототип кудитного квантового процессора на основе ионов. Проще говоря, это компьютер, построенный не на кубитах, двухуровневых системах, а на основе кудитов - многоуровневых систем. Процессор, созданный в России обладает потенциальными преимуществами как с точки зрения «железа», так и софта. Последнее очень важно, так как информатиками, которые работают в тесной связке с физиками, разработан уникальный компилятор и транспилятор для кудитных процессоров.

В мире квантовых компьютеров идут постоянные поиски наиболее эффективной схемы вычислений. Примером этой работы может служить эксперимент, в котором ученые из НИТУ МИСИС и МГТУ им. Н.Э. Баумана одни из первых в мире реализовали двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты. Преимущество этого типа кубитов в том, что у них более длинный жизненный цикл и большая точность операций, что дает возможность делать более длинные алгоритмы. Полученные результаты открывают интересный и многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям. В мире это направление активно развивается в исследовательском центре китайской компании Alibaba.

Как показывает наш «технологический радар», квантовые вычисления – тренд не только в науке, но и перспективное направление для больших технологических компаний. Именно в таких организациях есть наибольший потенциал полезного применения новых типов компьютеров – у них уже есть задачи, которые требуют новых, еще не доступных обычным пользователям вычислительных мощностей. Задачами может быть оптимизация логистики или расчеты рисков кредитования и страхования. И это только первые возможные сферы их применения. Знаменитый американский физик Ричард Фейнман в середине прошлого века говорил, что квантовый инструментарий лучше всего подходит для воспроизведения природы, а я бы сказал – этот инструмент является частью самой природы. И сегодня мы подходим к переосмыслению этого тезиса, вооружившись новыми технологиями, знаниями и целями.

Наш искусственный мозг

Вернемся к ориентиру, к Нобелевской премии. Награду в номинации «медицина и физиология» в этом году получил основатель палеогенетики – шведский ученый Сванте Паабо. Награды он удостоен за исследование генома вымерших гоминид и эволюции человека. Лауреатами по химии стали американцы Каролин Бертоцци и Барри Шарплесс, а также датчанин Мортен Мелдал. Нобелевский комитет присудил им премию за создание нового метода сверхбыстрого синтеза молекул, что, если говорить в общем, значительно упрощает и делает более эффективным создание новых соединений, в том числе лекарств.

Таким образом, тезис, что человек есть мера всех вещей, снова становится максимально актуальным. Однако, как показывают наши аналитические исследования, наступает не просто время человека, а человека дополненного различными технологиями, расширяющими его физические и когнитивные способности.

Так, десятилетиями ученые стремятся разгадать устройство мозга и феномен сознания, и мы видим, что работы в этой области становятся все более технологичными. Например, 2022 год отметился сразу несколькими значимыми исследованиями в сфере нейроинтерфейсов – инвазивных и неинвазивных. Научная группа профессора Виктора Казанцева из БФУ им. И. Канта продвинулась в создании адаптивного клеточного интерфейса между нейронной сетью мозга и искусственной сети импланта. Если говорить кратко, то живая сеть выступает в качестве «учителя» для искусственной, которая, в свою очередь, может быть создана на основе энергоэффективных мемристивных устройств.

Еще одна заметная работа в этой области – коллектив авторов из ВШЭ и Института искусственного интеллекта AIRI под руководством Алексея Осадчего. Речь идет о нейроинтерфейсных технологиях по замещению речевой функции. Исследователи продемонстрировали возможность создания речевого протеза с небольшим количеством имплантируемых электродов. Полученные результаты сопоставимы с зарубежными аналогами, однако созданный протез не требует огромного числа распределенных по коре мозга электродов – достаточно всего 6 или 8.

Использование таких и подобных нейроимплантов уже сегодня открывает широчайшие возможности в области регенеративной медицины, реабилитации и информационно-коммуникационных технологий. Создаваемые решения позволят не только компенсировать или заместить утраченные функции мозга, но и говорить об улучшении когнитивных способностей человека.

Не удивлюсь, если в итоге эти два научных направления – кванты и нейронауки – будут иметь много общего. Когда выдающийся физик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз выдвинул теорию, согласно которой человеческий разум имеет квантовую природу, ее посчитали если не безумной, то малодоказуемой. Но он предупреждал, что «сегодняшние компьютеры завтра покажутся нам такими же медленными и примитивными, как механические калькуляторы прошлого».

Маленькие шаги большой науки

Уходящий год отметился и другими значимыми событиями в науке, которые изменят наши представления о существующем мире. Запуск в России нейтринного телескопа на озере Байкал, развёртывание крупнейшего космического телескопа «Джеймс Уэбб» дадут громадные возможности ученым планеты для расширения границ наблюдаемой Вселенной. Вероятно, мы близки к тому, чтобы увидеть новые фундаментальные вещи об устройстве мироздания и узнать, как зародилась жизнь на Земле.

Уже под занавес года американским ученым из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса впервые в истории удалось получить прирост энергии в ходе реакции тремоядерного синтеза. То есть впервые в результате термоядерного синтеза было получено больше энергии, чем потребовалось от лазера для его начала. И хотя от этого результата до теромоядерных электростанций еще предстоит пройди долгий путь, но сам факт уже позволяет нам заглянуть в будущее, в котором не будет дефицита энергии.