Злодії в законі Мура. Нобелівська премія з фізики дісталася пророкам квантового комп'ютера

"За теоретичні відкриття топологічних фазових переходів і топологічних фаз матерії" — з таким формулюванням Королівська академія наук Швеції присудила Нобелівську премію з фізики трьом уродженцям Великобританії, які працюють нині в США.

Половина премії дісталася почесному професору Університету штату Вашингтон у Сіетлі Дэйвиду Таулессу (David J. Thouless). Йому 82 роки, він народився в шотландському місті Берсдене. Іншу половину розділили професор фізики Університету Брауна в Провіденсі (штат Род-Айленд) Міхаель Костерлиц (J. Michael Kosterlitz) і професор фізики Прінстонського університету (штат Нью-Джерсі) Дункан Халдейн (F. Duncan M. Haldane). Костерлиц на вісім років молодший Таулесса, теж народився в Шотландії — в місті Абердині. Халдейну 65 років, він уродженець Лондона.

Всі троє — теоретики, а свої найвидатніші роботи зробили ще у 1970-80-х роках. Але щоб зрозуміти значення їх досліджень, не потрібно заглиблюватися в теоретичні хащі фізики. Швидше тут необхідно знати тенденції в світовій економіці, так і в геополітиці.

Довгий час розвиток економіки забезпечувалося за рахунок зростання споживання енергії. Відповідно, економічна роль фізики полягала у відкритті нових джерел енергії і створення технологій їх освоєння. Вік пара змінився століттям електрики, потім прийшла черга атомної енергії, планувалася наступною термоядерна енергетика, але її практична реалізація за півстоліття спроб так і не вийшла з стадії експериментальних моделей.

Тим часом за ті ж піввіку економіки з'явився новий двигун: IT-технології. На відміну від енергоспоживання, що у світі зростає на кілька відсотків на рік, світове споживання інформації щороку подвоюється. Тут множаться два ефекту: по-перше, кожні два роки подвоюється продуктивність обчислювальних пристроїв (знаменитий закон Мура) і відповідно падає їх вартість в перерахунку на одиницю потужності; по-друге, IT-технології, стаючи все більш дешевими та доступними, швидко нарощують кількість споживачів як на масовому ринку, так і в промисловості, агрокомплексі, на транспорті. Недарма в останні роки говорять про викликаної IT-технологіями четвертої промислової революції.

Але у мініатюризації обчислювальних елементів є природний межа — їх не можна зробити дрібніше молекул і атомів. Про те, що з цієї причини закон Мура незабаром перестане виконуватися, ще в 2007 р. заявив його автор — один із засновників корпорації Intel Гордон Мур. Правда, вже давно, з 1980-х, відомий спосіб обійти ці труднощі і забезпечити навіть ще більш швидке зростання обчислювальних можливостей. Це — перехід на технологію так званих квантових обчислень.

У 2012 р. Нобелівську премію з фізики отримали француз Серж Арош і американець Девід Вайнленд "за створення проривних технологій маніпулювання квантовими системами". Але вони мали справу з поодинокими квантовими об'єктами: Арош маніпулював окремими фотонами (квантами світла), а Вайнленд — окремими іонами. Для утримання їх використовуються спеціальні пастки, але і це не захищає від швидкої втрати інформації. От якби подібні маніпуляції можна було робити з квантовими об'єктами в суцільних матеріалах, наприклад, у тонких плівках, тоді можна було б сподіватися, що квантовий комп'ютер коли-небудь стане реальністю.

Саме такі методи передбачили, у вигляді теоретичних моделей, три цьогорічних нобелівських лауреата. Самі атоми в тонких плівках не можуть грати роль носіїв інформації, оскільки вони постійно взаємодіють один з одним. Необхідні квантові об'єкти, здатні приймати інформацію, зберігати її тривалий час і потім передавати її в потрібний момент. Такими об'єктами в тонких плівках, як передбачили у своїх роботах Таулесс, Костерлиц і Халдейн, можуть бути вихори й інші топологічні ефекти. "Топологічні" в даному випадку має той же сенс, що і "квантові", тобто — считаемые поштучно. Вихор — він або є, або його немає, все вихори в одному напрямку (наприклад, за годинниковою стрілкою) однакові, як всі однакові і вихори в протилежному напрямі (проти годинникової стрілки). Такі дивовижні передбачення теоретичних моделей, розроблених нинішніми лауреатами.

Описуючи одну з таких моделей у 1988 р., Дункан Холдейн в кінці своєї статті не без смутку зазначив: "Конкретна модель, представлена тут, навряд чи буде безпосередньо фізично реалізована..." Але пройшло трохи більше чверті століття, і в 2014 р. ця модель була підтверджена в експерименті, проведеному в Інституті квантової електроніки в Цюріху (Австрія). У тому ж році в Інституті квантової оптики товариства Макса Планка в Мюнхені (Німеччина) реалізували іншу модель, запропоновану ще в 1982 р. Таулессом. А в липні 2015-го журнал Science розповів про нові експерименти, в ході яких були відкриті топологічні ефекти в напівпровідниках.

Звичайно, це не означає, що вже незабаром з'являться технології для масового виробництва квантових комп'ютерів. Скоріше, буде конкуренція спроб створити квантові суперкомп'ютери для окремих суперпотребителей, таких як уряд, армія, розвідка, спецслужби. До речі, зламані шифри чужої розвідки і доступ до чужих секретів в нинішній час загрожують великим руйнівним ефектом, ніж ядерна зброя.