Воры в законе Мура. Нобелевская премия по физике досталась пророкам квантового компьютера

"За теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи" — с такой формулировкой Королевская академия наук Швеции присудила Нобелевскую премию по физике трем уроженцам Великобритании, работающим ныне в США.

Половина премии досталась почетному профессору Университета штата Вашингтон в Сиэтле Дэйвиду Таулессу (David J. Thouless). Ему 82 года, он родился в шотландском городе Берсдене. Другую половину разделили профессор физики Университета Брауна в Провиденсе (штат Род-Айленд) Михаэль Костерлиц (J. Michael Kosterlitz) и профессор физики Принстонского университета (штат Нью-Джерси) Дункан Халдейн (F. Duncan M. Haldane). Костерлиц на восемь лет моложе Таулесса, родился тоже в Шотландии — в городе Абердине. Халдейну 65 лет, он уроженец Лондона.

Все трое — теоретики, а свои самые выдающиеся работы сделали еще в 1970—80-х годах. Но чтобы понять значение их исследований, не нужно углубляться в теоретические дебри физики. Скорее тут необходимо знать тенденции в мировой экономике, да и в геополитике.

Долгое время развитие экономики обеспечивалось за счет роста потребления энергии. Соответственно, экономическая роль физики заключалась в открытии новых источников энергии и создании технологий их освоения. Век пара сменился веком электричества, затем пришел черед атомной энергии, следующей планировалась термоядерная энергетика, но ее практическая реализация за полвека попыток так и не вышла из стадии экспериментальных моделей.

Тем временем за те же полвека у экономики появился новый двигатель: IT-технологии. В отличие от энергопотребления, которое растет в мире на несколько процентов в год, мировое потребление информации каждый год удваивается. Здесь умножаются два эффекта: во-первых, каждые два года удваивается производительность вычислительных устройств (знаменитый закон Мура) и соответственно падает их стоимость в пересчете на единицу мощности; во-вторых, IT-технологии, становясь все более дешевыми и доступными, быстро наращивают число потребителей как на массовом рынке, так и в промышленности, агрокомплексе, на транспорте. Недаром в последние годы говорят о вызванной IT-технологиями четвертой промышленной революции.

Но у миниатюризации вычислительных элементов есть естественный предел — их нельзя сделать мельче молекул и атомов. О том, что по этой причине закон Мура вскоре перестанет выполняться, еще в 2007 г. заявил его автор — один из основателей корпорации Intel Гордон Мур. Правда, уже давно, с 1980-х, известен способ обойти эту трудность и обеспечить даже еще более быстрый рост вычислительных возможностей. Это — переход на технологию так называемых квантовых вычислений.

В 2012 г. Нобелевскую премию по физике получили француз Серж Арош и американец Дэвид Вайнленд "за создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами". Но они имели дело с одиночными квантовыми объектами: Арош манипулировал отдельными фотонами (квантами света), а Вайнленд — отдельными ионами. Для удержания их используются специальные ловушки, но и это не предохраняет от быстрой потери информации. Вот если бы подобные манипуляции можно было производить с квантовыми объектами в сплошных материалах, например, в тонких пленках, тогда можно было бы надеяться, что квантовый компьютер когда-нибудь станет реальностью.

Именно такие методы предсказали, в виде теоретических моделей, три нынешних нобелевских лауреата. Сами атомы в тонких пленках не могут играть роль носителей информации, поскольку они непрестанно взаимодействуют друг с другом. Необходимы квантовые объекты, способные принимать информацию, сохранять ее длительное время и затем передавать ее в нужный момент. Такими объектами в тонких пленках, как предсказали в своих работах Таулесс, Костерлиц и Халдейн, могут быть вихри и другие топологические эффекты. "Топологические" в данном случае имеет тот же смысл, что и "квантовые", то есть — считаемые поштучно. Вихрь — он или есть, или его нет, все вихри в одном направлении (например, по часовой стрелке) одинаковы, как одинаковы все и вихри в противоположном направлении (против часовой стрелки). Таковы удивительные предсказания теоретических моделей, разработанных нынешними лауреатами.

Описывая одну из таких моделей в 1988 г., Дункан Холдейн в конце своей статьи не без печали отметил: "Конкретная модель, представленная здесь, вряд ли будет непосредственно физически реализуема…" Но прошло чуть более четверти века, и в 2014 г. эта модель была подтверждена в эксперименте, проведенном в Институте квантовой электроники в Цюрихе (Австрия). В том же году в Институте квантовой оптики общества Макса Планка в Мюнхене (Германия) реализовали другую модель, предложенную еще в 1982 г. Таулессом. А в июле 2015-го журнал Science рассказал о новых экспериментах, в ходе которых были открыты топологические эффекты в полупроводниках.

Конечно, это не значит, что уже в скором времени появятся технологии для массового производства квантовых компьютеров. Скорее, будет конкуренция попыток создать квантовые суперкомпьютеры для отдельных суперпотребителей, таких как правительство, армия, разведка, спецслужбы. Кстати, взломанные шифры чужой разведки и доступ к чужим секретам в нынешнее время чреваты большим разрушительным эффектом, чем ядерное оружие.