10.12.2024. - Что общего у квантовой физики и воли человека

Что общего у квантовой физики и воли человека

О том, как совмещать успешную работу в физике и литературе, об экситонах и фотонах, о жидком свете, поляритонике и о мировом лидерстве России в этой области мы поговорили с Алексеем Кавокиным, директором Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова (МФТИ), руководителем группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, руководителем лаборатории оптики спина Санкт-Петербургского государственного университета.

— Некоторые любят сразу быка за рога, так сказать: мол, давайте немедленно про науку, а мне бы хотелось начать с личных вопросов. Вот я сижу напротив известного физика и думаю: а почему вы стали физиком, а не кем-то другим? У всех же путь по-разному складывается. В каком возрасте пришло это решение? У кого вы учились?

— Это семейная традиция. Мой отец физик, мой старший брат физик, а сейчас и мой старший сын уже тоже профессиональный физик. Выбор был простым, хотя в детстве мне больше хотелось стать писателем и я очень увлекался историей. Но родители меня отдали по стопам старшего брата в ленинградскую физико-математическую школу (сейчас это президентский лицей №239 в Санкт-Петербурге). Там, конечно, все было очень сильно ориентировано в сторону профессиональных занятий физикой. Я участвовал и получал дипломы на олимпиадах. Правда, я получил также первый диплом на Всероссийской олимпиаде по литературе, и мне очень хотелось не бросать это увлечение, но родители объяснили, что литература — это скорее про свободное время (так же, как и история), а профессионально надо заниматься чем-то серьезным. Поэтому по рекомендации моего учителя физики Михаила Георгиевича Иванова я поступил на базовую кафедру Физико-технического института имени Иоффе в Политехе (сейчас это Политехнический университет имени Петра Великого). И вот на этой кафедре я и отучился, а уже со второго курса начал работать в лабораториях, и, по-моему, на третьем курсе опубликовал свою первую научную работу. Получается, что я лет с 20 профессионально занимаюсь физикой.

— Я люблю спрашивать у моих знакомых: ну а вот не было бы на свете твоей профессии, чем бы ты занимался? Иногда такие неожиданные ответы случаются! Но в вашем случае прямо очевидно, чем бы вы занимались, не будь на свете физики.

— Я в любом случае много чем занимаюсь помимо физики: я пишу книжки, опубликовал уже довольно много. Это, конечно, хобби. Я никаких денег за это не получаю, но делаю это с огромным удовольствием, и небольшим преувеличением было бы предположить, что, наверное, мог бы делать это и профессионально.

— Подождите минуточку, ваши книги можно купить, как же так, что вы не получаете за них ничего? Это неправильно!

— Да, их можно купить. Но деньги при этом получает кто-то другой. Я за всю свою жизнь не получил ни одной копейки за проданные книжки. Мне кажется, это связано с тем, что, наверное, издательства или те, кто это заказывает, какие-то получают бенефисы. Но мне достаточно того, что я получаю некоторое количество авторских экземпляров, которые я могу раздарить приятным мне людям.

— Часто люди начинают писать детские книги, когда у них появляются дети, но ваше желание писать было сформировано куда раньше, чем вы обзавелись детьми. Но они поддержали, наверное?

— Я написал свой первый детективный роман в возрасте 12 лет. Но он не опубликован, конечно. Он был очень детским. А когда у меня появился старший сын, ныне профессор физики, и он должен был, живя за пределами России, научиться читать по-русски, я ему каждый день писал по страничке текста, печатал крупным шрифтом и посылал ему письмом. Мы жили тогда в разных городах. Он читал все это. Таким образом появилась первая книга про кота Саладина. Это детский детектив по формату. Но основа, пожалуй, просветительская. Часть моих книжек — исторические детективы. Читатель погружается глубоко в историю Средних веков, отчасти в историю Нового времени, наполеоновских войн и совсем немного уже в события XX века. О Средних веках я очень много писал: о крестовых походах, о войнах гвельфов и гибеллинов, о конфликте папы и императора. Всякие такие вещи, которые, наверное, не каждый ребенок хорошо знает. Дальше у меня появились заказные книжки про девочку Акронис. Их заказывал мне тогдашний глава корпорации «Акронис» Сергей Белоусов, известный выпускник Физтеха, очень крупный предприниматель. Для него я написал три книги. Одна объясняет читателю, что такое гонки «Формулы-1» с точки зрения физики и инженерии. Вторая — что такое квантовые компьютеры и квантовая криптография. И третья — такая теория заговора по поводу того, откуда взялся последний коронавирус, которая при этом рассказывает в целом о вакцинах, о вирусах, о том, как с ними бороться.

— Моим младшим как раз примерно столько, сколько нужно: 13 и восемь лет. Кажется, это им должно зайти.

— Был бы рад!

— А вот если бы не было литературы, чем бы вы занимались? Вы любите работать руками? Поделки, может, какие-то создавать?

— Я страстно люблю готовить. Мне это очень интересно. Я готовлю дома всегда, когда могу. Готовлю даже в командировках, стараюсь не ходить в рестораны, если есть кухня, чтобы готовить. Но тут я правильно оцениваю свои возможности: они, конечно, ничтожны по сравнению с тем, что должен уметь настоящий профессиональный повар. Поэтому, может быть, в каком-то гипотетическом развороте событий я бы, наверное, мог сконцентрироваться на этом и готовить тоже профессионально.

— Я уверен, что у вас и это получилось бы. Про другие хобби даже не буду спрашивать, потому что даже два таких выраженных увлечения для одного человека, достигшего к тому же успеховв науке, это совершенно замечательно и уже много. А спорт любите? Ходить, бегать, ездить на велосипеде, плавать, ходить под парусом?

— Катаюсь на горных лыжах. И каждый год занимаюсь этим минимум неделю или две. Но я катаюсь как любитель и не ставлю никаких рекордов. Зато никогда ничего себе не ломал! А еще один раз в своей жизни пробежал марафон, когда мне было 40 лет. Но больше я не возвращаюсь к этому и сейчас не бегаю. Если считать спортом шахматы, можно и их сюда присоединить. Я играю в шахматы. Это всё.

— Ничего себе — всё! Вы меня поразили в самое сердце. Где бы взять столько времени? У вас в сутках точно больше часов, чем у меня. Или просто больше способностей. Но давайте вернемся к физике. Мне любопытно, как складывается путь ученого, особенно в начале карьеры. Вы занимаетесь совершенно новыми разделами. Отчасти можно сказать, что вы их и придумали. А как вы туда попали? После университета вряд ли у кого-то вообще сразу складывается прямое направление. Обычно оно куда более извилистое: туда, сюда…

— Смотрите, в этом году Нобелевскую премию по физике получил Джон Хопфилд[1]. Она ему была присуждена за развитие теории искусственного интеллекта и создание нейроморфной сети. Но я его работы знал совершенно с другой стороны. В 1958 году Хопфилд опубликовал великую статью об экситонных поляритонах[2]. И вот это именно и есть область моей научной деятельности. Наверное, 70% моих работ посвящены как раз этим самым экситонным поляритонам, иначе называющимся «квантами жидкого света». Основоположником в этой области был Хопфилд. Поляритоника возникла задолго до моего рождения[3], в 1957 году. Правда, она развивалась не очень быстро и оставалась где-то до 1990-х узкой областью, известной только специалистам. Благодаря тому, что я как раз работал с такими специалистами, в частности мой научный руководитель Евгений Львович Ивченко был и остается одним из крупнейших экспертов по поляритонике, и мне много приходилось общаться со вторым отцом-основателем этой области Владимиром Моисеевичем Аграновичем, который уже, к сожалению, ушел от нас в прошлом году, я попал в эту маленькую группу. Но за время моей научной деятельности она выросла в огромную толпу исследователей. Их просто море. Сейчас уже поляритоникой занимаются сотни лабораторий на всех континентах. Причем когда я начал этим заниматься, это была область в основном интересная теоретикам. Но с конца прошлого века, благодаря выдающимся экспериментальным открытиям, в эту область хлынули практики. И мне посчастливилось, например, последние шесть лет, до сентября 2024 года, быть руководителем первого в мире международного центра поляритоники, вполне себе экспериментального, построенного в Китае [4]. Так что да, это такая, может быть, не совсем обычная история, когда из чего-то очень маленького выросло нечто очень большое.

— Понятно. Ваш путь, получается, был прямым почти как стрела, просто сначала вы поплыли по ручью, а теперь он превратился в полноводную реку.

— Это верно. Я русло этой реки сам выкапывал по мере сил. Но я много смотрел по сторонам: у меня есть работы, не имеющие никакого отношения к поляритонике. Я считаю себя любопытным человеком. Мне интересно пробовать что-то новое и придумывать эффекты, которые можно экспериментально наблюдать, и новые приборы, которые потенциально можно сделать, чтобы они приносили пользу.

— С 1970-х, как мне кажется, в теоретической физике наблюдается затишье. Или, по крайней мере, такова была ситуация, до конца XX века так точно. Некоторые ученые даже писали о кризисе физики, о конце науки. Как вдруг все изменилось, и последние лет 15 у меня такое впечатление, что случился прямо какой-то расцвет. Появились новые направления. Вдруг стали появляться слова, которых я вообще никогда не слышал — ни в школе, ни в университете: фотоника, поляритоника! Даже беллетристика появилась — прекрасный фантастический роман «Задача трех тел»[5]. Люди читают беллетристику, написанную на основе теоретической физики! Что произошло с физикой, как вы считаете? Приобрела ли она большее значение? Случилось ли в ней нечто потрясающее, в горизонте последних лет эдак двадцати, о чем стоило бы говорить?

— Я не думаю, что физика в какой-то момент умирала. Вообще физике предрекали гибель еще в конце XIX века, когда, казалось бы, классическая физика была полностью построена и только какие-то три облачка на горизонте омрачали прекрасную картину. Но тут выяснилось, что-де — нет, она дала трещину в нескольких направлениях и появилась необходимость в создании квантовой физики. А в конце XX века скорее двигателем физики стала наука о материалах. Потому что люди научились создавать новые материалы и новые системы, в которых удалось пронаблюдать совершенно невероятные физические явления. Ну и плюс к тому, конечно, совершенствовались средства наблюдения. И что касается физики Вселенной, мы узнали много нового в связи с появлением высокочувствительных астрономических приборов, телескопов и т. д. Все это дает почву для размышлений физикам. В конечном счете теоретическая физика питается экспериментом, да? То, что нам дают экспериментаторы, эти загадки нас будоражат и заставляют нас думать. Если бы не было новых экспериментальных данных, наверное, теоретическая физика за ненадобностью тихо умерла бы, стала бы наукой маленького клуба умалишенных. Но сейчас теоретическая физика очень востребована и во многих областях является движущей силой, поскольку она в состоянии предсказывать еще не наблюдаемые эффекты. И это очень важно. Мне это очень интересно. Когда ты на клочке бумаги предсказываешь новое явление, а потом идешь в лабораторию и там через несколько лет выясняется, что это в самом деле так и это можно наблюдать, это очень серьезный стимул для продолжения исследований.

— Получается, что это почти равновеликие векторы, просто разнонаправленные? С одной стороны, теоретики что-то придумали и экспериментаторы бросились проверять, или наоборот, экспериментаторы вдруг нашли какие-то данные и теоретики сели обдумывать, что бы это могло значить?

— Думаю, что эксперимент всегда лидирует. Скажем, квантовая революция в начале XX века была инициирована именно экспериментальными данными о красной границе фотоэффекта, о строении атома. Спектроскопия атомных линий дала почву для размышлений теоретикам, сформулировала для них задачу. Но есть, конечно, и позитивная обратная связь. Начав копать в каком-то направлении, теоретики часто выкапывают нечто совершенно новое. И вот как раз с этим они идут к экспериментаторам, и дальше уже экспериментаторы делают все что могут, чтобы это новое подтвердить или опровергнуть. Они друг другу помогают и друг без друга, наверное, не справились бы.

— Если сравнить ситуацию сейчас с тем, что было 130 лет назад, когда три какие-то области нарушали общую благостную картину, то какие области сейчас ее нарушают?

— Вы знаете, я, конечно, не настолько образованный человек, чтобы судить обо всей науке, но единой теории всего нет (полагаю, что ее и быть не может, это, наверное, противоречит каким-то глобальным философским принципам). Мир непознаваем окончательно и бесповоротно. Мне кажется, есть какой-то запрет. Всегда будут загадки.

— Я уточню, если позволите: кажется, что появление единой теории всего, если бы вдруг она появилась, совершенно не предполагает, что мы должны абсолютно всё понять и подтвердить, не так ли? Теория — это просто модель некоего реального мира, в котором куда больше деталей. Конечно, мир непознаваем до конца. Но это не мешает, с моей точки зрения, существованию теории всего. Или я не прав?

— Понимаете ли, не существует единой, внутренне непротиворечивой теории. Разные области теоретической физики сейчас находятся не то чтобы в явном противоречии друг с другом, но они и логически не связаны. Не удается связать пока что вместе, скажем, теорию гравитации и квантовую механику. Проблемы космологии, квантовая космология — это все находится в развитии. И там больше вопросов, чем ответов. Мне кажется, что физическую единую непротиворечивую теорию создать в принципе невозможно. Представьте, если мы возьмем ньютоновскую механику и скажем: «Вот уже была такая теория, она внутренне непротиворечива. Если взять вместе с теорией гравитации, ньютоновская механика не противоречива». Это может кого-то убедить ненадолго. Но как только механикой мы попытаемся объяснить эксперименты, идущие немного дальше, скажем оптику (тот же Исаак Ньютон написал книгу «Оптика»), сразу же выяснится, что тут что-то не так. Причем не в нюансах, а в серьезных моментах. Ньютон не мог объяснить явления интерференции, дифракции, и поэтому понадобилась волновая модель Максвелла. Вот сейчас то же самое происходит. Может быть, если отсечь какие-то области физики — ту же квантовую космологию выкинуть на помойку и многое другое туда препроводить, то оставшееся будет внутренне непротиворечивым. Но тогда эта физика будет не в состоянии объяснить огромное количество экспериментальных фактов, целые отдельные области.

— Да. Как говорят дети, это будет нещитово.

— Совершенно верно! Да, я думаю, что процесс познания бесконечен, и никогда не настанет такой момент, когда мы скажем: «О, всё!» То есть момент, когда мы понимаем действительно всё, кроме каких-то мелких незначительных деталей, которые все равно вписываются в общую картину. Такого не будет никогда. Ну и слава богу!

— Когда вы сказали, что эксперимент занимает лидирующую роль, с вашей точки зрения, хочется спросить: вы экспериментатор в таком случае? Теоретик только во вторую голову?

— Нет. Ну то есть я не экспериментатор в том смысле, что я в лаборатории никогда своими руками не делаю эксперименты. Я это делал на втором-четвертом курсе, когда был студентом, и всё. С тех пор я не прикасаюсь к конкретным приборам, экспериментальным установкам. Но я очень много работаю с экспериментаторами: объясняю, что бы мне хотелось померить, на какой структуре и каким образом. И много работаю с экспериментальными данными, которые мне приносят исследователи, пытаюсь их объяснить и как-то описать в рамках теоретических моделей. Я не экспериментатор, но и не такой отвлеченный теоретик, который ничего не знает и знать не хочет об экспериментальной физике. Этакий посредник между теоретиками и экспериментаторами, пожалуй.

— Это ведь совсем разные люди?

— У них совершенно разные критерии успеха. Дело в том, что теоретик не имеет права формально врать на бумаге. Его можно проверить. Самый экстремальный предел физика-теоретика — математика. Если вы выводите, доказываете какую-то теорему, то любой достаточно квалифицированный человек может пройти по ступенькам, этапам вашего доказательства, и если вы где-то ошиблись, то вас буквально поймают за руку. Экспериментатор в этом смысле видит то, что видит. Эксперимент никогда не ошибается. Теоретик может ошибаться. Экспериментатор может ошибаться только в интерпретации эксперимента. И вот на этом этапе он смыкается с теоретиком.

Но они люди разного склада, конечно! Экспериментатор — это, как вы говорите, человек, который любит и умеет делать что-то руками. Который может починить испортившийся прибор, что-то припаять и т. д. Экспериментальная физика требует очень серьезной инженерной подготовки. Теоретик может абсолютно ничего не уметь делать, и я таких знаю очень много. Это зачастую люди, живущие в абстрактном мире. И если он чего-то пытается коснуться, это может привести к настоящей катастрофе. Знаете о т. н. эффекте Паули [6]? Лучше теоретика не пускать в лабораторию. Это, конечно, шуточный экспериментальный случай. Есть много вполне адекватных и практичных теоретиков. Тем не менее можно быть сколь угодно прекрасным теоретиком, как тот же Вольфганг Паули, и при этом совершенно неприспособленным к реальной жизни и далеким от эксперимента.

— В Википедии сейчас больше 2 млн статей, но статьи про поляритонику я не нашел. Ее до сих пор еще никто не написал. Все-таки это наука о чем? В чем отличие фотоники от поляритоники?

— Поляритоника — это физика жидкого света. А фотоника — это просто физика света. Отличие в том, чем жидкий свет отличается от нежидкого. Кстати, в английской Википедии все же есть тематическая статья [6]. Вообще это неправильно, что статьи на русском нет, потому что это большая область, в которой именно наша страна играет заметную роль. Надо, чтобы кто-то это написал.

— А может быть, я и напишу!

— Давайте, отлично! Значит, смотрите, в чем заключается разница? Фотоника занимается фотонами. Фотоны, в свою очередь, это кванты света, которые не взаимодействуют друг с другом. В вакууме распространяется свет. Два луча света проходят друг сквозь друга, но два фотона не столкнутся и не разлетятся, как бильярдные шарики. А в поляритонике не так. В ней задействованы те же самые фотоны, которые распространяются внутри кристаллического материала, но их свойства драматически меняются. И в частности, они получают возможность взаимодействовать друг с другом именно как пресловутые бильярдные шары. У них теперь есть масса. У фотона, частицы света, нет массы. А у поляритона — есть! И кроме того, у них есть другие характеристики (дипольные моменты и т. д.), которые позволяют им сталкиваться, как двум шарикам, и разлетаться. Поэтому мы говорим, что это жидкий свет. Потому что в жидкости молекулы воды цепляются друг за друга. Поэтому жидкость бывает вязкой, может образовывать капли, водовороты и т. д. и т. п. «Жидкий свет» (поляритоны) тоже образует водовороты, капли и все что угодно.

— А кто или скорее даже что дало фотонам такую возможность? Придало им массу, возможность сталкиваться и т. п.? В каких условиях и отчего это случается?

— Это происходит, если фотон может поглощаться материалом и переизлучаться. Если вы смотрите в зеркало, вы видите свое изображение из-за того, что металлический слой, амальгама на другой стороне стекла, поглощает свет. Как ни странно, металлические зеркала отражают свет, вы видите свое изображение из-за того, что они поглощают свет. Вот если бы они не поглощали, они бы не отражали. И какая-то часть света, 20% или около того, теряется (поглощается). Спрашивается, а что дальше? Что значит «поглощается»? Есть закон сохранения энергии. Каждый из этих фотонов, которые исчезли, не может исчезнуть бесследно. Он свою энергию должен кому-то отдать. Спрашивается, кому он это отдает? Кристаллу, вот этому металлу или полупроводнику, который поглощает свет. И дальше есть два сценария. Либо энергия просто потерялась, скажем пошла на нагрев — когда вы светите светом, металл немножечко греется. Это значит, энергия света ушла на то, чтобы его согреть. Вы знаете, можно даже спички зажигать, если сфокусировать свет через линзу на серную головку спички. Это один вариант. А другой вариант — ничего не греется, а свет как поглотился, так может и переизлучиться и выйти снова, как свет. И вот это тот сценарий, который нас интересует. Нобелевский лауреат Джон Хопфилд в 1958 году рассмотрел такой сценарий: летит у вас квант света, фотон, попадает в полупроводниковый кристалл и поглощается. При этом в полупроводниковом кристалле возникает такое возбуждение: один электрон приобретает, глотает порцию энергии и переходит из одного энергетического состояния в другое. И вот такое кристаллическое возбуждение называется «экситон». Это не Хопфилд придумал, а наш советский ученый Яков Френкель еще в конце 1920-х. Но дальше что сказал Хопфилд? «Смотрите, этот экситон может исчезнуть сам, аннигилировать. И энергия тоже не потеряется. Она превратится в такой же самый фотон, идентичный тому фотону, который был вначале. А этот фотон может снова поглотиться, и будет снова экситон. И снова он излучит фотон». И т. д., и т. д. — такая цепочка актов поглощения излучения! Вот до тех пор, пока вы не сделаете измерения, не поймаете эту частицу либо в форме кванта света (фотона), либо в форме материального возбуждения (экситона), вы не будете знать, что это такое у вас — материя или свет? Это будет состояние, которое на какой-то процент, с какой-то вероятностью является светом, и с какой-то вероятностью является материей.

— Когда мы ловим этот самый квант в момент его материального состояния, то его же неправильно называть фотоном?

— Конечно. Вы можете поймать экситон. Он состоит из двух вполне хорошо известных заряженных частиц, которые называются «электрон» и «дырка». На них можно воздействовать электрическим полем, растащить в разные стороны, измерить электрический ток, который возникает из-за того, что вы их разделите. Более того, это происходит в любой солнечной батарее. В ней вы поглощаете свет, из-за этого рождаются заряженные частицы (электроны и дырки), и там дальше вы как-то их используете: они крутят вашу посудомоечную машину и что-то еще такое делают полезное. А можно поймать свет, скажем, глазом. Вы видите свет? Значит, вы его поймали. Все хорошо. Но до тех пор пока вы не поймали этот объект в виде электрического тока или в виде вспышки, которую вы можете увидеть собственным глазом, никто вам не скажет и никто не может в принципе знать, свет это или материя. Это квантовая механика. Нечто вроде кота Шрёдингера: он и жив, и мертв — и свет, и материя одновременно.

— Можно ли сказать, что поляритоника — один из разделов физики, которые сейчас развиваются наиболее интенсивно? Если да, то какие еще разделы вы бы назвали из наиболее перспективных, бурно развивающихся, таких прямо — на острие?

— Видите ли, мне сложно говорить обо всей физике. Я все-таки специалист по физике твердого тела. Но с моей стороны представляется так: есть физика макромира и есть физика микромира. И в той, и в другой происходят очень интересные открытия. В более близкой мне физике микромира поляритоника, безусловно, одна из очень быстро развивающихся областей. Но кроме этого есть еще, например, сверхпроводимость — великолепная область, которая нам постоянно преподносит какие-то сюрпризы, чудеса, новые открытия. Я пытаюсь пропагандировать сверхпроводимость, индуцированную светом. Я очень надеюсь, что рано или поздно именно этот механизм позволит экспериментаторам достичь, получить «священный Грааль» — реализовать сверхпроводник, существующий при комнатной температуре. Есть, скажем, квантовый транспорт: тоже богатейшая область! Есть мезоскопика. В общем, несколько ударных направлений, где все время что-то происходит уже в течение многих лет. И это мы видим по Нобелевским премиям. Графен, наноструктуры и низкоразмерные структуры постоянно притягивают внимание общественности. Это отражается в присуждаемых премиях. И другая такая область, мейнстрим (сильное течение) — это физика макромира. Черные дыры, например. Тот факт, что в центре нашей Галактики «сидит» черная дыра — сюжет совсем недавней Нобелевской премии [8]. Столкновение, когда черная дыра поглощает звезду — вот такие эксперименты по гравитационным волнам. LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) [9] — великолепный, огромный, до чрезвычайности фундаментальный эксперимент. Открытие бозона Хиггса. Вот это все физика большого мира, которая завораживает. Я ее совсем не знаю, но в курсе, что она существует, и отдаю ей дань уважения.

— Какие задачи вы сейчас решаете, а какие хотели бы решить в будущем?

— Сейчас я, так получается, отвечаю за квантовую поляритонику в нашей стране. Я руководитель этого направления в «дорожной карте» по квантовым вычислениям правительства Российской Федерации[10]. В него вовлечены несколько лабораторий и несколько десятков ученых (вероятнее даже, уже к сотне приближается их число). У нас есть определенные обязательства, как мы будем строить квантовый процессор на поляритонах. Мы прошли еще не очень значительную часть пути, но мы постоянно движемся вперед. И эта работа меня очень увлекает, поскольку в данной области мы мировые лидеры Примерно тем же самым я занимался и в Китае. Центр, который я строил, построил и в течение шести лет возглавлял там, сейчас флагман аналогичной китайской программы квантовой поляритоники. Теперь мы с ними конкурируем, но мы все друзья, и эта конкуренция нам на пользу дела. Так что это, наверное, главная профессиональная задача, которая меня сейчас занимает.

— О будущем спрашивать бессмысленно, потому что одна задача обычно тянет за собой другую, и все они будут лежать примерно в этой плоскости, насколько я понимаю?

— Кто знает? Я стараюсь не зацикливаться на какой-то одной задаче. Мне очень интересно параллельно какими-то вещами заниматься. Это, мне кажется, необходимо: человек должен смотреть по сторонам, иначе рискуешь потерять квалификацию. Но все-таки главная зона моей ответственности — это сейчас квантовая поляритоника.

— Сейчас многие эксперты и наблюдатели ведут речь о второй квантовой революции. Но вообще-то, когда мы говорим о революции, мы подразумеваем какие-то такие кардинальные изменения. А в своей жизни мы и первую-то не заметили никак. Или заметили, но не поняли, что она случилась. Как вы считаете?

— Я думаю, что просто не поняли. Но то, что мы с вами можем говорить по Zoom на расстоянии 10 тысяч километров и сидим перед экранами компьютеров, и пользуемся мобильными телефонами — это плоды первой квантовой революции. Она принесла нам транзисторы, которые лежат в основе всей электроники. Без квантовой революции их попросту не было бы, как не было бы и лазеров, атомной энергии, атомной бомбы. В общем, не было бы интернета и ничего этого.

— Т. е. прямым поступательным путем по дороге инженерного развития мы бы к этому не пришли? Мы должны были пройти через революцию. И так успели привыкнуть к ее плодам, что даже и не думаем, что это была революция.

— Да.

— А вторую мы заметим? Что должно случиться?

— Вторую мы пока не замечаем. И вообще пока что это некий пропагандистский термин, потому что реальных приборов, которые бы вошли в повседневную жизнь, еще нет. То есть какое-то ограниченное применение плодов второй квантовой революции имеет место. В частности, в криптографии и в линиях коммуникаций, в защите коммуникаций, в том числе. Особенно в Китае уже настроили много этих линий квантовых коммуникаций. И в нашей стране они есть. В Европе есть, в США тоже. Но, конечно, обывателей это не очень сильно волнует. Это может касаться скорее банков, правительства, крупных компаний, военных и т. д. Но пока что это еще не вошло в нашу жизнь. Я думаю, что процесс будет лавинообразным. И как только квантовая физика внесет свой вклад в развитие систем искусственного интеллекта, вот здесь-то мы почувствуем. Потому что искусственный интеллект уже входит в нашу жизнь, а вот с квантовой революции это будет уже на таком уровне, что не заметить будет невозможно.

— Мы заговорили о том, что будет заметно широким народным массам в ходе второй квантовой революции. А какими будут главные области приложения поляритоники?

— Сейчас мне кажется, что это именно в искусственном интеллекте и в квантовых симуляторах. Т. е. идея всех этих квантовых вычислительных систем заключается в том, что очень небольшое количество задач, которые нельзя решить с помощью современных вычислительных средств, квантовые вычислительные средства смогут решать быстро. И поляритоника этому поможет. Но конкретные применения — это будут, конечно, системы искусственного интеллекта, очень эффективные, те самые роботы, которыми нас пугали фантасты XX века. Они войдут в нашу жизнь повсюду и в значительной степени заменят людей во многих их функциях. Это может быть очень хорошо с точки зрения нашей жизни. Человек и так живет уже гораздо дольше, чем сто лет назад. А если контроль за здоровьем человека отдать квалифицированному искусственному интеллекту, я думаю, что это может существенно, в какие-то разы удлинит нашу жизнь.

— Если не контроль, то, по крайней мере, ежесекундный мониторинг.

— Да, мониторинг и тонкое регулирование, когда проблема решается на начальном этапе, а не игнорируется и не запускается. Это вполне под силу искусственному интеллекту.

— Скажите, какая физическая задача из нерешенных вам особенно интересна? Понятно, что есть нерешенные задачи в вашей области. Но в целом в физике что вам больше всего кажется интересным, любопытным?

— Мне более всего кажется интересной природа сознания. Это вопрос, который, может быть, формально и не относится к физике, но, с другой стороны, физика в него упирается. Потому что, смотрите: мы с вами разговариваем, и наши тела подчиняются законам физики. Но при этом силой своей воли я могу поднять руку вверх, опустить ее и т. д. Это не следствие применения неких законов физики. Это проявление моего сознания, моей сознательной воли. Но откуда она берется? Сознание вырабатывается тем самым телом, которое, казалось бы, подчиняется законам физики. И тут возникает некий парадокс: как из материального объекта возникает нематериальное сознание со свободной волей, которое может двигать материальные объекты, как ему захочется? Мне кажется, эта проблема достойна изучения.

— Это, правда, не совсем физическая проблема, но я же просил назвать то, что больше всего интересует.

— Это меня интересует, да. Мне кажется, это то, во что мы постоянно упираемся. Мы же живем в мире, в котором сознание играет огромную роль! Но мы не понимаем механизмов, откуда оно, вообще говоря, берется. Мысли вполне материальны. Другие окружающие нас объекты, обладающие свободной волей — кошки, собаки, комары, — они все материальны! И тем не менее они действуют произвольно. А у нас произвол в физике существует только в квантовой механике, но это как бы стохастика. Это квантово-механическое измерение случайно находит ваш электрон в одной точке или в другой. Это некая вероятность.

— Нет, по-моему, это совсем противоречащие друг другу вещи, потому что стохастика означает хаос. А произвол — от слова «воля», и как раз это организация хаоса, наоборот.

— Вот именно, да! Откуда берется эта организация?

— На этот вопрос я ответить не могу, поэтому задам свой — попрошу вас отбросить природную скромность и представить себе следующую ситуацию: к вам подошли и спросили: «Каковы ваши личные достижения в физике? Чем вы пригодились миру?» Как бы вы ответили?

— Это я как раз очень легко могу сформулировать. Мое главное достижение — предсказание Бозе-Эйнштейновской конденсации жидкого света при комнатной температуре, которое привело к появлению поляритонных лазеров и многим другим последствиям. Я за это получал премии и на самом деле до сих пор считаю, что это пока самое главное из того, что я сделал. Само предсказание было сделано в 2003 году, и последние 20 лет мы занимались его претворением в жизнь, реализацией. И сейчас уже идет разработка каких-то приборов, квантовых процессоров, основанных на предсказанном нами явлении, которое действительно было обнаружено экспериментально и сейчас уже наблюдается в сотнях лабораторий по всему миру.

Ссылки:

[1] Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2024 стали Джон Хопфилд (Принстонский университет, США) и Джеффри Хинтон (Университет Джеффри Хинтона, Канада) «за основополагающие открытия и изобретения» в области машинного обучения и нейросетей.

[2] Hopfield J. J. Theory of the Contribution of Excitons to the Complex Dielectric Constant of Crystals // Physical Review. 1958. Vol. 112. Issue 5. P. 1555–1567.

[3] Родился 7 марта 1970 года.

[4] Международный центр поляритоники Университета Вестлэйк в Ханчжоу.

[5] Цысинь Л. Задача трех тел. М., 2024. Подробнее см.: Читай-город. URL: https://www.chitai-gorod.ru/product/zadacha-treh-tel-2611714 (дата обращения: 15.11.2024).

[6] Анекдотическое утверждение, названное по имени немецкого физика Вольфганга Паули, касаемо рекомендаций, что некоторых ученых не следует допускать к прикладной деятельности, поскольку их присутствие может отрицательно влиять на ход эксперимента или наносить ущерб работе техники (в особенности точных приборов).

[7] Polaritonics // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Polaritonics (Accessed at: November 15, 2024).

[8] Одним из лауреатов Нобелевской премии по физике за 2020 год стал Роджер Пенроуз (Великобритания) за подтверждение того что «образование черных дыр служит надежным подтверждением общей теории относительности». Другими лауреатами стали Райнхард Генцель и Андреа Гез (США) за «открытие супермассивного компактного объекта в центре галактики».

[9] Подробнее см. на сайте Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (https://www.ligo.caltech.edu/).

[10] Подробнее см.: Квантовые вычисления (дорожная карта) // Атомная энергия 2.0. URL: https://www.atomic-energy.ru/kvantovye-vychisleniya-dorozhnaya-karta.

Источник