Сулеймен Елнуры — молодой ученый из Казахстана, сотрудник лаборатории «Квантовые вычисления на холодных ионах» Российского квантового центра, аспирант Московского физико-технического института (МФТИ). Сейчас он работает в одном из ведущих университетов мира, всемирно известном центре по исследованию квантовых технологий ETH Zurich.
Я из города Шымкент. Мое увлечение физикой началось, пожалуй, с конструкторов. В детстве очень любил собирать их и каждый раз пытался собрать что-то новое, интересное. Начинал с чего-то простого и усложнял конструкцию. В итоге либо заканчивались элементы, либо я уже не понимал, куда двигаться дальше.
В основном собирал автомобили и думал, было бы классно, если бы они еще и летали. Тогда я уже немного знал, что есть магниты, которые притягиваются или отталкиваются. Очень наивно, но тогда я думал, что машины будут летать, если поверхность земли покрыть магнитом и производить машины из магнита. Далеко продвинуться не удавалось, потому что не хватало знаний, но было безумно любопытно. Кстати, сейчас Hyperloop продемонстрировал магнитную левитацию с помощью массива Хальбаха.
А физика заинтересовала меня тем, что в ней были ответы на все странные вопросы, которые я задавал сам себе. Например, какой объект является самым маленьким во Вселенной? Так вот, благодаря физике, я почти всегда находил ответы.
Результатом моего увлечения стала учеба физико-математической школе в Алматы.
В школе, как вы понимаете, меня тоже больше всего интересовала физика. Поэтому я занимался ей дополнительно, участвовал в олимпиадах. И, конечно же, решил продолжить этот путь. Когда в 11 классе выбирал для поступления технические специальности, рассматривал в том числе, и «Назарбаев Университет». Однако когда к нам в Алматы из Москвы приехали аспиранты МФТИ на ярмарку образования, я узнал про «Физтех».
Конечно, там были представители многих других вузов, мне удалось поговорить со всеми, однако больше всех впечатлили ребята из МФТИ. Тогда и возникла идея отправиться в Москву.
Квантовые технологии
Изначально меня заинтересовала тема, связанная с квантовой памятью, где мы изучали соединения, допированные ионами (с добавлением ионов) редкоземельных элементов. Исследовали возможность использования таких соединении в качестве кубита — элемента для хранения информации квантовом компьютере.
Если не ошибаюсь, в прошлом году Google опубликовал работу «Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor». В ней рассказывалось о квантовом компьютере Google, который смог за 3 минуты и 20 секунд выполнить расчет, который самый мощный в мире суперкомпьютер Summit (IBM) делал бы примерно 10 тыс. лет. Про нее говорили везде, и я решил посетить лекцию одного профессора про квантовые технологии и квантовое превосходство Google. На лекции я узнал о четырех основных платформах для построения квантового компьютера. Это сверхпроводники, нейтральные атомы, фотонные процессоры и одиночные ионы. У каждой архитектуры есть свои преимущества и недостатки, но из-за того, что мой бэкграунд был ближе к ионам, я начал больше изучать эту тему.
Квантовая память
Квантовая память – это основной блок квантового компьютера. Квантовые компьютеры же нужны для того, чтобы обрабатывать данные в больших объемах, быстро и без потерь. Квантовая память должна быть способной хранить информацию до тех пор, пока мы не проведем вычисления. Сейчас накопилось большое количество данных, которые необходимо обработать для их дальнейшего использования, решения тех задач, с которыми не способен справиться обычный компьютер. Или сделает это очень медленно. Например, для создания нейронных сетей разработчики обрабатывают большой объем информации, и такой процесс происходит медленно на обычных компьютерах, которые оперируют битами, с двоичной системой счисления (0,1). Квантовые компьютеры находятся на более высоком уровне прогресса, используют кубиты, имеющие значения одновременно и 0 и 1.
Бывают технические и фундаментальные причины потери информации во время операции. Фундаментальные ошибки устранить очень сложно, если это вообще возможно, а вот с техническими каналами потерь можно побороться, чем и занимаются исследователи квантовых технологий.
Что квантовые технологии принесут человечеству
Честно говоря, никто не сможет заранее сказать, на что будут способны квантовые технологии. Тем не менее, квантовое преимущество – то есть возможность решать задачи в определенных областях быстрее – уже продемонстрировали,
Квантовые технологии можно использовать для решения оптимизационных задач, моделирования взаимодействий элементов, анализа больших данных, в телекоммуникации и шифровании данных.
Например, сейчас невозможно смоделировать атмосферу Земли, а значит, и точно спрогнозировать изменение климата. Квантовые технологии смогут нам в этом помочь.
В итоге сейчас я работаю в группе, куда входят ученые, которые работали под начальством Райнера Блатта (группа которого, по-моему мнению, входит в первую тройку во всем мире по поимке ионов), обладателя Нобелевской премии Теодора Хенша, а также другие аспиранты и постдоки из мировых университетов.
Вообще я планировал присоединиться к группе Райнера Блатта в Австрии, или к Кристофу Вундерлиху в Германии. Но из-за карантинных ограничений остановился на группе Джонатана Хоума в ЕТН Zurich. Я отправил резюме и мотивационное письмо в ETH Zurich, позже мы созвонились и определили интересную мне тематику для работы. ETH Zurich сотрудничает с IBM Zurich в области квантовых компьютерных технологий на протяжении десятилетий. А с 2019 года он состоит в сети сотрудничества IBM Q Network с Университетом Аалто, Университетом Турку (Финляндия), EPFL, Университетом Страны Басков и Международной Иберийской лабораторией нанотехнологий.
Моя работа заключается в одновременном развитии в нескольких областях. Это и возможность, и необходимость. Чтобы результаты моих исследований были полезны для производства хороших девайсов, мне необходимо разбираться в материаловедении и микрофабрикации. Для поимки ионов нужно моделировать и анализировать данные, а чтобы с ионами работать, я должен знать квантовую физику, уметь собирать оптические системы. И нужно уметь работать с вакуумной, криогенной, электронной системами — для улучшения квантовой памяти.
Как ловят ионы? И зачем?
Квантовые компьютеры могут иметь разное аппаратное обеспечение. Один из вариантов — использование ионов. Ион — это атом или молекула, которая имеет электрический заряд. Его можно удержать и подвесить в пространстве с использованием электрических полей. Таким образом, мы захватываем ионы для их использования в качестве кубитов, элементов для хранения информации в квантовых компьютерах. Захватывать ионы мы научились, но все еще существуют теоретические и технические препятствия на пути к использованию большего числа управляемых ионов. То есть нам нужно учиться созданию более мощных квантовых технологий.
Самое сложное в исследованиях
Самой трудоемкой задачей я бы назвал масштабирование системы. Во-первых, создание точных ловушек ионов с интеграцией оптоволокон, сверхпроводящих детекторов и акустооптических модуляторов требует много времени. Во-вторых, поверхности ловушек со временем становятся статически заряженными, что приводит к ухудшению качества кубитов.
Планы на будущее
Мне нравится, что я являюсь частью большого и интересного проекта по развитию квантовых технологий. В будущем планирую продолжить заниматься наукой. Я бы хотел приложить усилия для реализации на практике архитектуры QCCD (quantum charged coupled device), которая перспективна для масштабирования систем с захваченными ионами, то есть наращивания мощностей квантовых технологий.
Секрет успеха
Шансы на участие в каких-то глобальных проектах есть у каждого казахстанского молодого ученого. Для этого надо пытаться выстроить правильное окружение и постоянно развиваться. Важно быть в курсе того, что происходит в мире, какие области развиваются быстро, не переставать пробовать и изучать новые вещи, а после достижения определенной цели – не останавливаться. Звучит очень банально, но только так все работает.
