В развернутом интервью для Y Combinator известный физик-теоретик и профессор Калифорнийского технологического института Джон Прескилл подробно описывает текущее состояние и долгосрочные перспективы квантовых вычислений. Собеседники обсуждают технологические барьеры, архитектуру квантового железа, угрозы для современной криптографии, а также фундаментальную связь между квантовой запутанностью и структурой пространства-времени. Этот материал адаптирует академические инсайты под практические запросы предпринимателей и разработчиков, стремящихся понять истинный потенциал квантовой революции.
🏛️ От Фейнмана до Шора: как зародилась идея квантового симулятора 0:00
Джон Прескилл вспоминает, что идея квантовых вычислений была выдвинута более 30 лет назад Ричардом Фейнманом. Во время Второй мировой войны в Лос-Аламосе Фейнман руководил вычислительной группой, чинил механические калькуляторы и выстраивал логистику потоков данных между сотрудниками. В 1970-х годах физики элементарных частиц пытались использовать зарождающиеся цифровые компьютеры для симуляции кварков внутри протона, но столкнулись с нехваткой памяти и времени. В начале 1980-х Фейнман заявил: «Природа квантовомеханическая, черт возьми, поэтому симуляция природы должна быть квантовомеханической». Он назвал это «универсальным квантовым симулятором».
Настоящий всплеск интереса произошел примерно через 10 лет, когда Питер Шор в 1994 году предложил алгоритм для разложения больших чисел на простые множители, что поставило под угрозу современную криптографию. Ситуация осложнялась тем, что многие ученые считали невозможным изолировать квантовую систему от внешней среды. Однако в середине 1990-х годов была разработана теория квантовой коррекции ошибок, позволившая кодировать квантовые состояния так, чтобы защитить их от неконтролируемого взаимодействия с окружением. Спустя 20 лет эти теоретические фантазии начали реализовываться в лабораториях.
📚 Природа запутанности: аналогия с квантовой книгой 3:47
Чтобы объяснить суть квантовой коррекции ошибок, Джон Прескилл вводит понятие квантовой запутанности — ключевого отличия квантового мира от классического. Профессор приводит наглядную аналогию с книгой объемом в 100 страниц. Если это обычная книга, 100 человек могут прочесть по одной странице, а затем собраться вместе и восстановить всё содержание. Но если книга квантовая, а её страницы сильно запутаны, чтение отдельных страниц ничего не даст. На каждой странице будет виден лишь случайный информационный мусор, потому что вся информация закодирована в корреляциях между страницами.
[Image of quantum entanglement concept]
Квантовая информация крайне хрупка: при любой попытке посмотреть на неё состояние системы меняется. Если обычную бутылку с водой переместить, наблюдатель просто устраняет свое незнание о её положении. В квантовой системе утечка информации в окружающую среду полностью разрушает вычисления. Квантовая коррекция ошибок как раз использует запутанность: внешняя среда взаимодействует с атомами по отдельности, но не может считать защищенную информацию, распределенную в корреляциях.
🔬 Алгоритм Гровера и феномен квантовой интерференции 7:28
Обсуждая алгоритм Гровера, Джон Прескилл поясняет, что он предназначен для ускорения исчерпывающего поиска (exhaustive search) среди множества альтернатив. В качестве примера приводится классическая задача коммивояжера, где нужно найти кратчайший путь между городами. Для квантового компьютера это тоже сложная задача, но алгоритм Гровера дает квадратичное ускорение. На практике это означает, что при той же скорости процессора можно обрабатывать задачи примерно в два раза большего масштаба, прежде чем они станут неразрешимыми.
Квантовая природа алгоритма Гровера основана на том, что вероятности в квантовой физике представляют собой квадраты амплитуд, что приводит к явлению интерференции. Прескилл напоминает об эксперименте с интерференцией электронов на двух щелях. Если построить гистограмму распределения электронов на экране, она будет формировать волнообразную интерференционную картину. Это происходит потому, что принципиально невозможно узнать, через какую именно щель прошел электрон. В квантовых вычислениях интерференция используется для того, чтобы заставить неверные ответы взаимоуничтожаться (гасить друг друга), тем самым повышая вероятность получения правильного ответа.
🚀 Практическое применение: материалы, катализаторы и «суперклассическая» эпоха 12:42
Джон Прескилл признается, что предсказать точные применения квантовых компьютеров на десятилетия вперед невозможно, приводя исторические аналогии с первыми транзисторами 1960-х годов и созданием интернета, когда никто не мог предвидеть появление современных браузеров. По мнению гостя, наиболее важными будут те применения, о которых сегодня никто даже не задумывается.
Среди понятных и перспективных направлений Прескилл выделяет:
- Проектирование новых материалов и химических соединений с необычными свойствами.
- Создание эффективных катализаторов для улавливания углерода.
- Разработку фармацевтических препаратов нового поколения.
Все эти задачи являются квантовыми по своей сути, и обычные цифровые компьютеры не способны эффективно прогнозировать поведение таких систем.
Прескилл подчеркивает, что наибольший интерес вызывают экспоненциальные ускорения, ярким примером которых стал алгоритм Шора в 1994 году. В ближайшие пару лет ученые ожидают появления устройств на 50–100 кубитов. Такой масштаб уже невозможно симулировать даже на самых мощных современных суперкомпьютерах, что делает эти системы «суперклассическими». Однако эти кубиты пока несовершенны: уровень ошибок в квантовых гейтах сейчас составляет чуть менее одной ошибки на 100 гейтов. Из-за этого в схеме на 1000 кубитов будет слишком много шума. Для решения этой проблемы в ближайшей перспективе планируется использовать гибридные классическо-квантовые методы с обратной связью.
🏗️ Битва архитектур: от пойманных ионов до топологических кубитов 22:31
В индустрии пока нет консенсуса относительно лучшей технологии для масштабирования железа. Джон Прескилл подробно описывает основные подходы, конкурирующие на рынке:
- Ионные ловушки (Trapped Ions). Кубиты создаются на уровне отдельных заряженных атомов (ионов), которые удерживаются электрическими полями в глубоком вакууме. Чтобы заставить их взаимодействовать, ученые используют лазеры, управляющие вибрацией ионов в ловушке.
- Сверхпроводящие цепи (Superconducting Circuits). Информация кодируется в коллективном движении миллиардов электронов, текущих без сопротивления по сверхпроводящему проводу. Ток в петле может циркулировать по часовой стрелке, против неё или в обоих направлениях одновременно. Время когерентности таких кубитов увеличивалось примерно в 10 раз каждые 3 года на протяжении последних 15 лет.
- Топологические кубиты (Topological Quantum Computing). Направление, которое активно развивает Microsoft. Это амбициозный подход, призванный создать кубиты с беспрецедентным уровнем контроля и теоретическим уровнем ошибок один на миллион вместо одного на тысячу. Прескилл предполагает, что валидированный кубит такого типа может появиться уже в следующем году.
- Спины электронов в кремнии (Electron Spins). Перспективная технология, потенциально легкая в интеграции с существующим кремниевым производством чипов.
☁️ Квантовый стек, облачные фермы и чипы в кармане 34:09
Крупные игроки, такие как IBM, Google, Microsoft и Intel, а также многочисленные стартапы, сегодня стремятся построить полный технологический стек: от фабрикации железа до софта и пользовательских интерфейсов. По словам Прескилла, в ближайшем будущем пользователям не придется носить квантовые компьютеры в кармане; доступ к ним будет организован через облачные платформы (по аналогии с AWS), где пользователю даже не нужно будет знать квантовую физику для программирования.
Тем не менее, существует подход на основе ядерных спинов (nuclear spins), которые слабо взаимодействуют с внешней средой и могут сохранять когерентность в течение секунд даже при комнатной температуре. Профессор предполагает, что в будущем это позволит создавать квантовые смарт-карты, например, для банкоматов. Такую карту банк сможет однозначно аутентифицировать, при этом её невозможно будет подделать.
🔐 Угроза для шифрования и будущее квантового интернета 37:04
Квантовые компьютеры несут прямую угрозу современным системам шифрования с открытым ключом, таким как RSA и криптография на эллиптических кривых, обеспечивающим защиту протокола HTTPS. В настоящее время для взлома RSA требуется факторизовать число длиной более 2000 бит (2048 бит), что недоступно классическим процессорам. По оценкам Прескилла, появление квантовых компьютеров, способных взломать эти системы, маловероятно в ближайшие 10 лет, но вполне ожидаемо в горизонте 50 лет.
Для защиты приватности разрабатываются два решения:
- Постквантовая криптография (Post-Quantum Cryptography). Создание протоколов, основанных на математических задачах, сложных даже для квантового компьютера.
- Квантовое распределение ключей (Quantum Key Distribution, QKD). Передача информации с помощью кубитов (фотонов по оптоволокну). Любая попытка перехвата ключа злоумышленником неизбежно изменит состояние системы и вызовет ошибки, что позволит вовремя зафиксировать атаку и отбросить скомпрометированный ключ.
На данный момент передача квантовой информации по оптоволокну возможна на расстояния в десятки километров. Для создания глобального квантового интернета потребуются квантовые репитеры (repeaters), способные усиливать сигнал без его измерения, чтобы не разрушить квантовое состояние.
🧲 Квантовые сенсоры: новые возможности для стартапов 45:36
Отвечая на вопрос о бизнес-возможностях для начинающих предпринимателей, Джон Прескилл указывает на сферу квантовых сенсоров. Из-за своей чувствительности к внешней среде квантовые системы идеально подходят для высокоточных измерений. Использование ядерных спинов позволяет создавать датчики, работающие при комнатной температуре и обладающие колоссальным пространственным разрешением на молекулярном уровне.
По мнению Прескилла, это откроет революционные возможности для биологии и медицины, позволяя напрямую отслеживать поведение молекулярных машин и зондировать биологические системы изнутри.
🌌 Пространство-время как иллюзия: граница запутанности 47:39
Сам Джон Прескилл начинал карьеру как физик-теоретик элементарных частиц и исследователь квантовой гравитации. Профессор рассматривает квантовую информацию не просто как технологию, а как новый фундаментальный рубеж физической науки — «рубеж запутанности» (entanglement frontier). Масштабирование квантовых систем до высокого уровня сложности позволяет исследовать динамику, которую невозможно симулировать цифровыми инструментами.
Ученый отмечает захватывающий тренд: идеи квантовой информации помогают ответить на фундаментальные вопросы о гравитации. Современная теоретическая физика склоняется к мнению, что геометрия пространства-времени не является фундаментальной, а представляет собой эмерджентное свойство, возникающее из квантовой запутанности. Именно запутанность связывает части пространства вместе. Прескилл предполагает, что в ближайшие десятилетия ученые смогут моделировать «игрушечное пространство-время» прямо на лабораторных столах с помощью квантовых симуляторов.
🛑 Разоблачение квантовых мифов: локальность и параллелизм 57:03
Профессор подробно разбирает два популярных заблуждения о квантовом мире. Первое касается квантовой нелокальности. Теорема Белла доказывает, что квантовые корреляции отличаются от классических, однако, вопреки расхожему мнению, они не позволяют мгновенно передавать информацию сквозь галактику. При измерении запутанных кубитов наблюдатель видит лишь случайный результат, а реальную корреляцию можно обнаружить только после того, как участники «сверят карты» по классическим каналам связи.
Второе заблуждение связано с квантовым параллелизмом. Часто говорят, что квантовый компьютер невероятно силен, потому что делает огромное число вычислений одновременно благодаря суперпозиции. Прескилл называет эту формулировку вводящей в заблуждение. При считывании (измерении) результата в один момент времени можно получить лишь ограниченный объем информации. Настоящая сила квантового алгоритма заключается исключительно в искусстве управления интерференцией, когда неверные пути вычислений гасят друг друга, а правильный ответ многократно усиливается. Любое преждевременное измерение разрушает магию суперпозиции.
🥁 Жизнь в одном коридоре с Ричардом Фейнманом 1:03:30
Джон Прескилл делится личными воспоминаниями о пяти годах совместной работы с Ричардом Фейнманом в Калтехе с 1983 по 1988 год. Их офисы находились в одном коридоре, и они часто обсуждали квантовую хромодинамику и удержание кварков внутри протона. В 1983 году Фейнману было 65 лет, а Прескиллу — 30. По воспоминаниям профессора, Фейнман обожал физику, воспринимал её как веселую игру, но при этом был скорее великолепным оратором, нежели слушателем.
Фейнман всегда стремился переосмыслить всё самостоятельно с нуля, полностью игнорируя работы других экспертов. Прескилл с иронией вспоминает, как хитростью знакомил коллегу с научной литературой: он не предлагал Фейнману почитать статьи Александра Полякова, зная, что тот откажется, а просто излагал ключевые идеи Полякова как собственный альтернативный взгляд на проблему, заставляя Фейнмана восхищаться его проницательностью.
Прескилл подтверждает легендарные привычки Фейнмана: тот постоянно ходил по коридорам Калтеха, барабаня пальцами по стенам, и без конца травил одни и те же истории, которые позже Ральф Лейтон зафиксировал в книге «Что тебе до того, что думают другие?». Также гость вспоминает детский восторг Фейнмана, когда тот приобрел свой первый персональный компьютер IBM PC (модель AT с процессором 80286) и сразу же бросился программировать на языке BASIC.
🎮 Квантовые игры, STEM-образование и советы для фаундеров 1:10:09
Обсуждая популяризацию науки, Джон Прескилл предполагает, что через несколько десятилетий 10-летние дети будут играть в квантовые игры, развивая интуитивное понимание законов микромира без глубокого знания математики. Точно так же, как законы Ньютона и эксперименты Галилея со временем сформировали наше понимание классической физики, практика и эксперименты с квантовыми симуляторами помогут развить новое технологическое чутье. Многие прорывные алгоритмы, по словам профессора, обнаруживаются методом простых экспериментов, как это было с симплекс-методом в линейном программировании или происходит сегодня в глубоком машинном обучении.
В области государственной политики Прескилл сетует на нехватку людей с научным бэкграундом в органах власти. Он приводит в пример конгрессменов-физиков Билла Фостера и Раша Холта, а также министров энергетики в администрации Обамы — Стивена Чу и Эрнеста Мониза, чья экспертиза помогла направить госсубсидии на развитие аккумуляторных технологий и солнечной энергетики.
Говоря о формировании так называемой «Квантовой долины» в районе залива Сан-Франциско (Bay Area), Прескилл связывает это исключительно с концентрацией венчурного капитала и технологических талантов. Начинающим предпринимателям в сфере квантовых технологий профессор дает ключевой совет по найму:
«При формировании команды отдавайте предпочтение тем специалистам, которые способны коммуницировать через междисциплинарные барьеры — например, когда разработчик программного обеспечения может без барьеров разговаривать с инженером по микроволновому контролю. Это критически важно в индустрии, где мы пытаемся делать невероятно сложные вещи».
В завершение Джон Прескилл отмечает, что преподавание является лучшим способом глубокого изучения предмета. Сам он освоил квантовую информатику, теорию кодирования и вычислительную сложность исключительно благодаря тому, что 20 лет назад решил прочитать этот курс в Калтехе. Для тех, кто хочет прикоснуться к физике без лишней академической шелухи, профессор настойчиво рекомендует YouTube-лекции и книги Леонарда Сасскинда из цикла «Теоретический минимум».
