На днях австралийские исследователи представили «первую в мире квантовую батарею», способную сверхбыстро поглощать лазерный свет. Но может ли такой «аккумулятор» хранить энергию, а затем отдавать по требованию и что это: настоящий прорыв или маркетинг? Корреспондент Наука Mail решил разобраться в деталях вместе с экспертом.
Научный директор Российского квантового центра Алексей Акимов рассказал о том, почему не стоит верить громким анонсам, какие «по-настоящему» квантовые устройства уже работают на благо людей и какое научное направление избрать молодым ученым, если они хотят стать востребованными специалистами в современном мире.
Корреспондент: В недавней статье австралийские исследователи заявили о создании «первой в мире квантовой батареи» — устройства, которое быстро поглощает свет и за счет этого, видимо, сохраняет энергию. Это действительно мировой прорыв? Что это за устройство и что в нем, собственно, квантового?
Алексей Акимов: Если помните, в книге о Шерлоке Холмсе присутствует такой персонаж, как Собака Баскервилей. Собаку намазывали фосфором, чтобы она ночью светилась. Фосфор обладает свойством «запасать» свет и потом медленно его высвобождать. При этом гораздо дольше, чем в исследовании австралийцев, где речь идет о наносекундах.
Само по себе свойство поглощать свет и хранить его — не новость. Есть простые устройства, например, батареи для телефонов с солнечной панелью — они поглощают свет, накапливают энергию и отдают при необходимости. В природе также существуют материалы, которые умеют проворачивать такие же трюки: светлячки сохраняют солнечную энергию и светятся ночью, по тому же принципу работают и фосфорные покрытия. Так что ничего революционного здесь нет. Да, описанное учеными из Австралии устройство может очень быстро поглощать свет и какое-то время его хранить, но это не революционная технология.
Корреспондент: Однако разработчики используют какие-то квантовые эффекты — резонаторы, коллективное усиление. Может быть, это дает какое-то преимущество?
Алексей Акимов: Они действительно помещают поглотители света в резонатор и используют эффект сильной связи — возникает коллективное усиление, и поглощение идет быстрее. Но этот эффект хорошо изучен, им активно пользуются, например, в группе поляритоники в Российском квантовом центре, в Сколтехе.
Он применяется во множестве сенсоров, и настолько активно им пользуются, что даже не хочется называть этот эффект квантовым. За счет этого эффекта ускоряется поглощение, но и потери, скорее всего, тоже ускоряются. Но ведь батарея — это устройство запасания энергии. Здесь оно не показано.
В статье хранение показано только на временах порядка наносекунд — это очень мало. Существуют, например, квантовые памяти для оптоволоконной связи, которые сохраняют отдельные фотоны значительно дольше и с полной информацией о частице света. Они хранят эту информацию существенно дольше. При этом используются похожие схемы, фактически та же технология, но для одиночных фотонов добиваются лучших результатов.
Корреспондент: Получается, сама идея не нова, а устройство назвали «первой в мире квантовой батареей» не заслужено?
Алексей Акимов: Да, взяли хорошо известную схему и назвали «квантовой батареей». Эффекты коллективного поглощения давно применяются. Единственное возможное новшество — использование трехуровневых поглотителей, чтобы энергия могла переходить на другой уровень и некоторое время там храниться. Но сформулировано красиво.
Корреспондент: Слово «квантовый» в названии привлекает внимание. Не хайп ли это?
Алексей Акимов: Доля хайпа здесь, безусловно, есть. Хотя эффект сильной связи действительно квантово-механический. Впрочем, многие относят его к классическим. Ведь здесь нет квантовой запутанности, нет одиночных частиц — есть синхронизация через внешнюю моду резонатора. Все это известно, и называть такое «батареей» в серьезном смысле слова нельзя.
Корреспондент: А если бы время хранения было более длительным, могло бы устройство пригодиться? Например, для быстрой зарядки электромобилей — как обещают авторы в релизе государственного агентства Австралии CSIRO?
Алексей Акимов: Это кажется совершенно нереалистичным. Во-первых, процесс изначально неэффективен: много энергии теряется. Кроме того, если вы хотите зарядить аккумулятор автомобиля за минуту, потери тепла будут колоссальными — техника просто выйдет из строя. Во-вторых, лазерная зарядка, а здесь используется лазер, сама по себе расточительна с точки зрения закачки энергии. Электрохимические методы, используемые сегодня, намного эффективнее. Практической ценности у такого подхода нет.
Корреспондент: В некоторых материалах СМИ говорится, что такая миниатюрная квантовая батарея может пригодиться для питания квантовых устройств, например, квантовых компьютеров. Это так?
Алексей Акимов: Нет, это очень далекая область исследований. Сейчас главные проблемы квантовых компьютеров — необходимость изоляции кубитов от внешнего мира и контроль их взаимодействия. Нужно повышать точность операций, масштабировать системы, при этом не теряя когерентность (связность кубитов — прим. ред.).
Никто еще не доходил до вопроса о батареях — все пока работает от розетки. Основные вызовы — это архитектура, уменьшение нежелательных связей между кубитами, увеличение числа кубитов с сохранением качества операций.
Корреспондент: Получается, нам нужны не квантовые батареи, а объединение квантовых процессоров с небольшим количеством кубитов в сеть для распределенных вычислений?
Алексей Акимов: Да, движение идет в этом направлении. Уже показано объединение двух чипов на сверхпроводниках, сейчас ученые работают над соединением ионных ловушек. На всех платформах разрабатывают новые технологические решения, но это не про батареи.
Корреспондент: Как вы относитесь к недавней новости о том, что специалисты компании Google предложили объединять сверхпроводниковые квантовые процессоры с процессорами на нейтральных атомах для полезных квантовых вычислений?
Алексей Акимов: Идея витала в воздухе. У нейтральных атомов лучшая масштабируемость — они не взаимодействуют друг с другом, пока их специально не переведут в так называемое ридберговское состояние (сильно возбуждённое состояние атома, в котором он увеличивается в размерах и активно взаимодействует с окружением — прим. ред.). На сверхпроводниках операции быстрые, но масштабировать сверхпроводниковые платформы сложнее. Комбинируя платформы, можно использовать сильные стороны каждой из них. Посмотрим, что из этого получится.
Корреспондент: Какие области квантовых технологий сейчас наиболее зрелы и близки к практическому применению?
Алексей Акимов: Самые зрелые на данном этапе — квантовые сенсоры. Их уже активно внедряют в инерциальную навигацию, например, для подводных лодок и беспилотников, в поиск полезных ископаемых, в медицину. Это быстро развивающаяся область.
Затем — квантовые вычисления. Несмотря на то что до квантового преимущества еще далеко, уже сейчас некоторые оптимизационные задачи решаются на квантовых устройствах, и компании получают от этого реальную прибыль. А квантовая связь, хотя технически готова, пока не находит широкого коммерческого применения: проще и дешевле использовать постквантовые алгоритмы шифрования.
Корреспондент: Часто говорят, что квантовые вычисления хорошо справляются с оптимизационными задачами. Почему? Что вообще это значит?
Алексей Акимов: Квантовые компьютеры изначально ориентированы на задачи переборного типа — такие как разложение на множители, поиск оптимальных маршрутов и т.д. В классических вычислениях для этого приходится перебирать огромное количество вариантов, прежде чем будет найдено оптимальный, а квантовые алгоритмы используют интерференцию, чтобы находить правильный ответ быстрее. Именно поэтому они эффективны в оптимизации производства, логистике, финансах — везде, где нужно выбрать лучший вариант из множества возможных.
Представьте себе завод, который выпускает автомобили на конвейере. Задача — собрать максимальное количество машин за день с минимальными затратами. Но итоговый результат зависит от огромного числа факторов: скорость подачи комплектующих, количество рабочих на линии, время переналадки оборудования в случае поломок и не только, график техобслуживания оборудования, даже перерывы сотрудников на отдых. На самом желе факторов гораздо больше. Классический компьютер, решая такую задачу «в лоб», вынужден перебирать миллионы возможных комбинаций, учитывать сотни «параметров». Квантовый же способен учесть все эти «параметры» одновременно и предложить единственный вариант, при котором КПД завода будет максимально возможным. Причем сделать это за разумное время, а не за недели вычислений.
Корреспондент: Расскажите подробнее про инерциальную навигацию — как работают квантовые сенсоры в этой сфере?
Алексей Акимов: Это навигация без спутников. Измеряя параметры движения (скорость, повороты) и опорные поля, например, магнитное поле Земли, можно определять координаты устройств. Квантовые сенсоры позволяют поднять точность таких измерений до уровня, сопоставимого со спутниковой навигацией. Это критически важно там, где GPS недоступен: под водой, в тоннелях, в условиях помех.
Корреспондент: Мы живём в эпоху бурного развития ИИ и гуманоидной робототехники. Какие технологии, кроме квантовых, на ваш взгляд, сегодня становятся наиболее многообещающими? На какие области стоит обратить внимание сегодняшним абитуриентам, чтобы быть востребованными учеными в будущем?
Алексей Акимов: Сложно сказать. Интересны различного рода богоподобные системы. Много нового может появиться в области медицины и нейроинтерфейсов, связывающих мозг человека и компьютер. Уже сегодня ученые всерьез задумываются о возможности восстановления нейронов в случае травм спинного мозга или адресной доставке лекарств, которая не только позволит ускорить выздоровление, но и сильно уменьшить побочные эффекты лечения.
Может быть, через какое-то время станет реальностью управлять компьютером или автомобилем мыслью с помощью надетого шлема. Но кто знает наверняка? Завтра может случиться прорыв там, где мы его совсем не ожидали. Настоящий прорыв.
