Сергей Сенинский: Мы продолжаем цикл передач, посвященных нанофизике. Сегодня заведующий лабораторией сверхпроводимости института физики твердого тела Российской академии наук доктор физико-математических наук Валерий Рязанов и заместитель директора института теоретической физики имени Ландау Российской академии наук доктор физико-математических наук Михаил Фейгельман рассказывают о российских ученых в области квантовых вычислений и создания квантового компьютера. С ними беседует наш автор Ольга Орлова.
Ольга Орлова: Валерий, мы говорили, как новейшая нанофизика родилась из квантовой физики.
Валерий Рязанов: Надо сказать, что эта физика с 20-30 годов прошлого века развивается. И на самом деле, когда вы освещаете вещество светом, то вы можете этим состоянием отдельных атомов играть, вы чувствуете квантовую механику ядерную структуру некоторыми методами, такими как ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, методы, когда вы видите отдельные линии в спектре взаимодействуют с отдельными органами атома. Вы знаете, что вещество состоит из отдельных квантомеханических частиц. Но когда вы начинаете мерить интегральные характеристики, скажем, сопротивление единица объема, удельное сопротивление или проводимость, обратная величина, то вы получите некоторое усреднение. В этих величинах привычный нам закон Ома, средние величины классические.
Михаил Фейгельман: Поэтому инженерам электротехникам квантовую механику знать необязательно, хотя ток приносится электронами, который квантовый объект. Но в классической электротехнике это все равно важно. Та физика и те новые приборы, которыми мы занимаемся, которыми мы пытаемся что-нибудь объяснить, они таковы, что в соответствующей инженерии квантовая механика неизбежна, она все определяет.
Валерий Рязанов: Кстати, по поводу новых приборов и старых приборов. Старые приборы переходят в новые приборы и очень этого не хотят. Все мы сейчас работаем с электроникой, напичканной огромным количеством, отдельный чип, отдельная плата, на которой целая схема изготовлена полупроводниковая, отдельный элемент уже занимает до миллимикрона. Есть те законы, которые используются для работы этой электроники, тоже пришли оттуда - из классической физики. Сейчас для того, чтобы побольше элементов напихать в какой-то маленький объем, приходится уменьшать размеры элементов и это каждый раз достижение. Есть закон, с какой скоростью эта интеграция, это уплотнение происходит. Теперь интеграция эта достигла такого уровня, что эти элементы начинают проявлять квантомехзанические свойства. Это мешает обычно принципам, потому что они начинают с точки зрения классической физики и законов, которые тут используются, шуметь. А наша задача как раз может быть объяснить, почему происходят плохие явления, наоборот надо хорошие явления, которые начинаются на этом уровне, превращать в приборы такого же и меньшего масштаба, работающие на новых принципах. Вот собственно задача нанофизики в смысле приложения к нанотехнологиям.
Ольга Орлова: А что конкретно у вас в лаборатории делается?
Валерий Рязанов: Та область, о которой Михаил Викторович говорит, она называет квантовые биты. То есть создать такое колечко или переход, свойства которого размазаны по некоторым состояниям, это создать элемент, который работает немножко иначе, чем наш обычный бинарный электронный элемент, когда либо ноль, либо один. И как раз переключение из нуля в один, есть обычная логика, которая легла в основу компьютера. В этой логике как раз надо работать в состоянии, где не ноль и не один, вернее и ноль, и один. У вас битов квантовых много, они начинают взаимодействовать и это еще большее количество состояний. И вы одновременно начинаете за всех состояний и тем улучшается скорость вычислений. Это есть некий параллелизм и современные компьютерные схемотехники часто используют параллельные процессоры, параллельные вычисления. Это классическое параллельное вычисление. А здесь оно происходит по своим квантово-механическим законам естественно.
Ольга Орлова: Михаил, речь ведь идет об исследованиях, направленных на создание квантового компьютера?
Михаил Фейгельман: Генеральное направление такое, да.
Ольга Орлова: И вы понимаете, сколько вам еще до границы?
Михаил Фейгельман: Этого, разумеется, никто не понимает. Но я бы сказал, что всерьез этими вещами активно занимаются физики лет десять и за это время прогресс в смысле достигнутых результатов в физическом эксперименте больше, чем десять лет назад могли бы предположить. Другое дело, сколько там еще до этого вожделенного прибора, никто не знает. Если он скажет, что через пять лет будет работать – это вранье.
Валерий Рязанов: На самом деле сами явления этих переходов, где состояния размазаны, это как бы часть общих работ, которые нужно выполнить для того, чтобы такие системы работали. Скажем, для того, чтобы действительно уравновесить два состояния, два уровня, между которыми наше состояние должно быть размазано, нужно в существующих устройствах приложить магнитное поле, что не очень хорошо, поскольку это связь с внешней сред о й , которая своими шумами нарушает когерентность этих процессов, которые там происходят. А мы как раз работали и начали это дело до этой эры, исследовать, сопрягать свойства этих самых сверхпроводников, где переносится без сопротивления тока и ферромагнетиков, которые есть магнитные вещества, где у электронов все магнитные моменты выстроены в одном направлении. А в этих парах электронов все наоборот. У каждого электрона есть магнитные моменты в разные стороны. На самом деле они враги и считалось, что если сделать что-то на стыке, соединить в контакт две пленочки, одну сверхпроводную, другую магнитную, то загубишь и то и другое. Но оказалось, что если сверхпроводник хороший, а ферромагнетик не очень, то они не губят друг друга, сверхпроводящая пара, попадая в ферромагнетик, начинает приобретать уникальные свойства. И вот исследуем такие трехслойки, сверхпроводник - ферромагнетик - сверхпроводник. Пока пара существует в ферромагнетике, она умудряется с квантовой механикой этого объекта сделать интересные вещи. То есть если такой переход включить в то колечко наряду с теми объектами, которые дают размазку, то она спонтанно меняет фазы процессов, которые там происходят, не на внешнем источнике. Никаких полей, токов, которые тоже изменят фазу и таким образом этот объект начинает приобретать свойства, которые нужны для кульбита.
Ольга Орлова: А при этом речь идет о низких температурах или происходит при обычной температуре?
Валерий Рязанов: Пока о низких температурах, а может быть принципиально низких.
Ольга Орлова: То есть вы пока не знаете, можно ли вывести на обычные температуры?
Валерий Рязанов: Кстати, тоже интересный вопрос, а надо ли? Дело в том, что все привыкли, что низкие температуры - это страшно, это огромный дюар.
Ольга Орлова: Все считают, что это очень дорого и неудобно. О порядке каких температур идет речь?
Валерий Рязанов: Сама вся эта система должна работать при температуре меньше одного кельвина.
Ольга Орлова: Это так и останется в лабораторных условиях.
Валерий Рязанов: Одно из направлений развития низких температур – это делать локальные охладители, которые будут охлаждать. Просто мы говорим о том, что нам нужно сделать интеграцию, то есть разместить целую схемку на очень маленьком чипе. Так этот чип меньше миллиметра, его надо охладить. Довольно просто. Большой ящик.
Ольга Орлова: Там будет маленькая морозильная камера, в которой будет находиться.
Валерий Рязанов: Не морозильная камера, есть же разные процессы охлаждения. Скажем, если тот же газообразный гелий проталкиваете через мембранку, то в процессе прохождения через мембранку, эта мембранка охлаждается. Поэтому да, будут какие-то циклы. Если речь идет об этом, не только процессы охлаждения. Есть термодинамические циклы, когда вы меняете магнитное поле, включаете, выключаете, есть связанные с ядерными процессами, много вещей. Поэтому, мне кажется, не за горами у нас будет прибор, который не будет занимать безумное место и вы ту же вилку в ту же розетку будете включать и даже знать не будете, что у вас там происходит, чтобы нужный предмет охладить до нужных температур. Когда вы заговорили, был определенный шум, я думаю даже и в прессе, о высокотемпературных сверхпроводниках, то на самом деле они действительно очень важны, когда вам нужно на большое расстояние провести ток или сделать что-то на магнитной подушке в смысле, чтобы поезда ездили, подвисая над этими магнитами. Там действительно важно, поскольку это огромные объемы, огромные массы, которые надо охлаждать по-серьезному. Если мы говорим об электронике, есть элементы, которые все меньше и меньше, вопрос охлаждения может быть решен довольно быстро.
Ольга Орлова: И они становятся не так страшны, как кажется. Сколько сейчас в России работает лабораторий и где, в каких городах вы знаете своих коллег, которые работают в области низких температур и ведут такие исследования?
Валерий Рязанов: Черноголовка, конечно. Институт проблем технологии микроэлектроники, там тоже есть эксперименты в области низкотемпературной квантовой физики. В Москве есть, конечно.
Ольга Орлова: Институт физических проблем имени Капицы.
Валерий Рязанов: Институт радиоэлектроники в Санкт-Петербурге, это Иоффе институт, существует некое разделение. В Черноголовке в основном физика металла, физика сверхпроводников, в институте Иоффе физика полупроводников, что тоже неточно, потому что современные полупроводниковые структуры, наверное, алферовская нобелевская премия как раз относится главным образом к этому, речь идет не о самих полупроводниковых слоях, которые образуют некую гетероструктуру, а о контакте между ними, где возникает металлическое двумерное состояние, двумерный газ. И его поведение, плоского металлического слоя и привело к серьезной физике, но это тоже низкие температуры.
Михаил Фейгельман: Еще в Новосибирске есть лаборатория, которая успешно такими вещами занимается.
Ольга Орлова: Расскажите тогда, если можете, опишите поляну мировую, насколько Россия конкурентоспособна или нет.
Валерий Рязанов: В области теоретической физики, я думаю, можно дать четкий ответ.
Михаил Фейгельман: Большая доля тех теоретических идей, которые используются во всех этих вещах, они произошли 20-25 лет назад.
Ольга Орлова: Они пришли из России?
Михаил Фейгельман: Они не то, что буквально пришли из России, они параллельно развивались у нас, прежде всего в институте Ландау и питерском физтехе теоретиками, и американскими теоретиками. Кто-то успел раньше в Америке в какой-то области, в какой-то области у на. То есть был очень серьезный теоретический задел к концу 80 годов. Но дальше, как известно, с тех пор значительная часть людей, которые этот задел произвели, они переселились в разные места, кто в Америку, кто в Европу. Кое-что здесь осталось. Фронт работы, что называется, заметно сузился, но то, что мы продолжаем делать в меньшем количестве, оно конкурентоспособно на соответствующем научном рынке. Просто нас меньше стало и далеко не все современные направления способны развивать.