Рэймонд Лафламм — человек, чей путь в науке начался с попытки доказать невозможность квантовых вычислений, а привел к созданию фундаментальных протоколов защиты квантовой информации. В глубоком и личном интервью для Perimeter Institute физик-теоретик размышляет о том, как фундаментальное любопытство позволяет преодолевать технологические барьеры и выживать в условиях смертельного медицинского диагноза.
🧬 Квантовый мир: от фундаментальных правил к технологиям 0:16
Рэймонд Лафламм стоял у истоков создания Института квантовых вычислений (IQC) при Университете Ватерлоо. По его словам, целью института является не только разработка квантовых компьютеров, но и изучение квантовой коммуникации, метрологии (датчиков) и новых материалов. Лафламм объясняет, что в то время как классическая физика Ньютона описывает мир макрообъектов, на уровне атомов и электронов действуют иные правила.
Ключевым инструментом, который ученые пытаются обуздать, является принцип суперпозиции. Согласно этому правилу, квантовая частица может находиться в нескольких состояниях или местах одновременно. Гость подчеркивает: физики не знают, почему мир устроен именно так, но они учатся использовать эти правила для обработки информации. По мнению Лафламма, мы находимся на пороге новой революции, сравнимой с переходом от гонцов на лошадях к телеграфу и смартфонам.
📉 Путь скептика: как Лафламм пытался «убить» квантовый компьютер 10:51
Интересно, что в начале своей карьеры Рэймонд Лафламм был одним из главных скептиков в области квантовых вычислений. Он признается, что его первая серьезная работа в этой сфере была попыткой доказать, что такие устройства никогда не будут построены. Работая с физиком Биллом Анру (Bill Unruh), известным своей любовью к научным спорам, Лафламм привык подвергать сомнению любую новую идею.
Поворотным моментом стала конференция в Санта-Фе, где он впервые услышал об алгоритме Шора. Этот алгоритм теоретически позволял взламывать современные криптографические системы, факторизуя огромные числа, что непосильно для классических машин. Вернувшись в лабораторию, Лафламм пытался доказать, что квантовая декогеренция (шум) уничтожит любые вычисления. Однако, пытаясь найти изъяны в доводах своих оппонентов, он случайно наткнулся на математическую возможность исправления квантовых ошибок (Quantum Error Correction).
Это открытие показало, что:
- Ошибки в квантовых системах не являются фатальным препятствием.
- Существуют модели, позволяющие нейтрализовать шум и сохранить целостность вычислений.
- Декогеренция — это технический вызов, а не фундаментальный запрет природы.
🛠️ Трудности перевода: квантовая vs классическая коррекция 18:52
Лафламм подробно описывает разницу между защитой данных в обычном компьютере и в квантовом. В классическом мире информация хранится в битах (0 или 1), и главной проблемой является «флип бита» (инверсия 0 в 1). Для защиты данные просто копируются (например, 0 превращается в 000), и система принимает решение по большинству.
В квантовом мире всё сложнее по трем причинам:
- Непрерывность шума: Ошибки могут быть не дискретными, а плавными.
- Запрет на клонирование: Квантовую информацию невозможно просто скопировать.
- Коллапс при измерении: Попытка проверить состояние кубита «убивает» суперпозицию.
Тем не менее, физикам удалось найти обходные пути. Лафламм отмечает, что квантовый шум можно упростить до двух типов дискретных ошибок: флип бита и флип фазы (изменение знака в суперпозиции). Классическая коррекция, таким образом, является лишь частным случаем более сложной квантовой системы.
🏗️ Гонка архитектур: от вакуумных ламп до IBM и Google 25:21
Сегодня не существует единого мнения о том, какая физическая платформа станет «золотым стандартом» для квантового компьютера. В лабораториях IQC и по всему миру тестируются разные подходы:
- Лазеры и зеркала: использование фотонов (света).
- Ионные ловушки: манипуляция отдельными атомами.
- Ядерный магнитный резонанс (ЯМР): работа со спинами ядер.
- Сверхпроводящие кубиты: подход, используемый Google и IBM.
Лафламм проводит аналогию с ранними этапами развития классических ЭВМ. В 1949 году компьютер ENIAC весил 30 тонн и содержал 15 000 вакуумных ламп. Тогда предсказывали, что в будущем компьютеры будут весить «всего тонну». По мнению ученого, нынешние квантовые процессоры — это «уровень ENIAC», и мы можем еще не знать о существовании технологии (аналога транзистора), которая совершит прорыв. Одной из таких перспективных идей он называет топологические квантовые вычисления на основе энионов.
🌌 Стивен Хокинг и «эффект бумеранга» 36:43
До того как увлечься квантовыми вычислениями, Лафламм занимался квантовой космологией в Кембридже под руководством Стивена Хокинга. Они работали над «безграничным предложением» (Hartle-Hawking state), пытаясь описать начало Вселенной математически.
Самым ярким эпизодом их сотрудничества стала история с «бумерангом времени». Хокинг предполагал, что в сжимающейся Вселенной стрела времени должна развернуться в обратную сторону. Молодой Лафламм в течение нескольких месяцев проводил расчеты и пришел к выводу, что это не так — математика не подтверждала идею учителя.
«Стивен будет против, если мы просто придем и скажем, что он неправ. Нам нужно строить аргументацию по кирпичикам», — вспоминает Лафламм совет своего коллеги Дона Пейджа.
В итоге Хокинг признал ошибку. В качестве подарка на завершение PhD он вручил Рэймонду свою книгу «Краткая история времени» с подписью: «Рэймонду, который показал мне, что стрела времени — это не бумеранг». Спустя 20 лет, когда Хокинг посетил Ватерлоо, Лафламм подарил ему настоящий деревянный бумеранг в память об этой научной дискуссии.
🏥 Любопытство против рака 53:37
Пять с половиной лет назад Рэймонду Лафламму диагностировали рак легких в третьей стадии. Прогноз был суровым: 20% шансов прожить пять лет. Однако ученый не оставил свою привычку задавать вопросы даже в больничной палате.
Во время прохождения лучевой терапии он начал расспрашивать персонал о частоте излучения и калибровке аппаратов. В какой-то момент он даже попросил «инструкцию по эксплуатации» медицинского ускорителя, что заставило врачей смеяться. В его медицинской карте появилась пометка: «Осторожно, этот пациент — физик, он задает слишком много вопросов».
Лафламм не просто лечился, он стал вольнослушателем курса по онкологии в университете, чтобы понимать механизмы болезни. По его мнению, именно таргетная терапия, основанная на изучении мутаций ДНК, появившаяся всего несколько лет назад, спасла ему жизнь. Сегодня он видит потенциал применения квантовых технологий в контроле радиации для еще более точного лечения рака.
🚀 Прогноз на десятилетие 1:05:35
Отвечая на вопрос о будущем, Лафламм отмечает, что отрасль перешла от этапа «доказательства возможности» к этапу инженерного масштабирования. Хотя прототипы от Google и IBM уже решают задачи, недоступные классическим ПК, эти задачи пока не имеют практической пользы.
Для создания действительно полезного квантового компьютера потребуется:
- Увеличить число кубитов до многих тысяч или миллионов.
- Снизить уровень ошибок через совершенствование архитектуры.
- Решить проблему «миллиона проводов», создавая более компактные системы управления.
Лафламм полагает, что такие устройства могут появиться к концу этого десятилетия (примерно через 10 лет). Сам же он планирует вернуться к вопросам квантовой космологии, чтобы связать воедино понимание микромира и устройства всей Вселенной.
