«Для решения новых задач нужны новые методы. Сегодня это сочетание суперкомпьютерного моделирования и искусственного интеллекта»
Поздравляем Андрея Сергеевича Васенко, профессора МИЭМ НИУ ВШЭ и заместителя заведующего лабораторией квантовой наноэлектроники, с юбилеем: на прошлой неделе Андрей Сергеевичу исполнилось 50 лет.
Учителя в науке и профессии, студенческие годы в МГУ, аспирантура, деятельность в качестве постдока, работа в МИЭМ и наука, которой занимается учёный: читайте юбилейное интервью с Андреем Сергеевичем.
Учёба
Андрей Сергеевич, вы учились на кафедре квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ, где руководителем был Виктор Павлович Маслов. Вы знали лично его, общались с ним? И шире: кто из преподавателей оказал на вас наибольшее влияние в студенческую пору?
Когда я был студентом, Виктор Павлович уже не приезжал на кафедру. Всем было известно, что он работает у себя на даче. На кафедре работало много его учеников, среди которых выделялся Олег Юрьевич Шведов, который был одновременно и куратором нашей группы. Виктор Павлович через Шведова пытался подобрать себе толковых студентов. Желающие работать с Масловым приезжали к нему на дачу и проходили собеседование, так как Виктор Павлович брал не всех. Из нашей группы к нему в ученики пошёл всего один студент.
Сам я интересовался более прикладной наукой, область Маслова пугала меня, как мне тогда казалось, чрезмерной математизацией. Надо сказать, что сперва я поступил на кафедру теоретической физики и проучился на ней один семестр. Очень быстро стало понятно, что кафедра занимается исключительно вопросами квантовой теории поля, физики элементарных частиц, гравитации и т.д. Я не хотел быть «полевиком» и искал себе руководителя в области физики конденсированного состояния. Это определило мой переход на кафедру Квантовой статистики и теории поля, которую основал в своё время выдающийся математик и физик-теоретик Николай Николаевич Боголюбов. Там была полная свобода выбора. Думаю, это была во многом заслуга Виктора Павловича Маслова. Мы могли не только выбрать себе руководителя из любого института, но и самостоятельно выбрать спецкурсы на других кафедрах МГУ, на других факультетах и даже в других вузах. Подобная свобода была абсолютно немыслима на других кафедрах физического факультета.
В итоге, вместо ряда кафедральных спецкурсов по теории поля, я прослушал спецкурсы заведующего кафедрой магнетизма профессора Ведяева, директора института физических проблем РАН академика Андреева, ходил на семинары на мехмат МГУ к автору знаменитого задачника по методам решения дифференциальных уравнений профессору Филиппову. Особенно большое впечатление произвели на меня курсы Александра Фёдоровича Андреева по теории Ферми-жидкости, теории магнетизма и т.д., которые он читал в своём кабинете для студентов МФТИ. Кабинет этот был ранее кабинетом основателя института Петра Леонидовича Капицы. Место обладало особой энергетикой, и эти лекции запомнились мне как самые яркие за всю жизнь. Александр Фёдорович - знаменитый физик-теоретик, яркий представитель школы Ландау, лично сдавший Льву Давыдовичу теоретический минимум. При этом он оказался прекрасным лектором с особым даром объяснения. В дальнейшем знакомство с Александром Фёдоровичем помогло мне и в жизни, и в карьере.
Расскажите, пожалуйста, о своем научном руководителе. Чему был посвящена ваша дипломная работа?
Моим руководителем на дипломной работе был молодой теоретик, недавно защитивший кандидатскую диссертацию, Дмитрий Сергеевич Голубев. Знакомство с ним было достаточно случайным. По ряду личных предпочтений я искал руководителя из теоретического отдела ФИАН, куда я ходил на знаменитый семинар Гинзбурга. Однажды, придя в теоретический отдел после семинара, я встретил там Дмитрия Сергеевича. Он был в Москве всего неделю и улетал в технический университет Карлсруэ в Германию, где имел позицию. Но мы успели поговорить и договориться о работе онлайн. Работа была связана с исследованием электронного транспорта в контактах металл-сверхпроводник, использующихся для создания детекторов излучения. Мне понравился прикладной характер этой работы, и я с удовольствием в неё окунулся.
Дмитрий Сергеевич не занимался теорией ради теории, а работал в связке с известным физиком-экспериментатором Леонидом Сергеевичем Кузьминым, профессором Технического университета Чалмерса в городе Гётеборг в Швеции. Будучи студентом четвёртого курса в 2000 году, я получил небольшую стипендию на поездку за границу и съездил на школу молодых учёных в Бьорклиден, маленький городок в Швеции в 250 км к северу от полярного круга, которую организовал Кузьмин. Школа называлась «От Андреевского отражения к международной космической станции». И открывал её конечно Александр Фёдорович Андреев. Андреевское отражение объясняет механизм превращения электрического тока в металле в сверхток куперовских пар в сверхпроводнике в контакте металл-сверхпроводник. Поскольку эти контакты используются для детекторов излучения, в названии школы появилась «космическая станция». Кузьмин интересовался созданием матрицы детекторов, способных исследовать неоднородности реликтового излучения Вселенной.
Когда я окончил физический факультет весной 2002 года, Леонид Сергеевич пригласил меня провести несколько месяцев в Гётеборге в его лаборатории. Приехав к Кузьмину, я очутился в одной комнате с академиком Андреевым. В тот год он попал в кандидаты на получение Нобелевской премии и был приглашён Шведской академией наук. К сожалению, Александр Фёдорович не получил эту премию. Нобелевский комитет в последний момент заменил его на Энтони Леггетта из университета Иллинойса.
Поскольку свободных офисов не хватало, меня неожиданно подселили к Александру Фёдоровичу. Это был подарок судьбы. Мы много времени провели за обсуждением различных проблем как науки, так и просто жизни. Суждения Александра Фёдоровича были настолько цельны и глубоки, что до сих пор оказывают на меня влияние. Кроме того, к Александру Фёдоровичу иногда приезжал из Швейцарии его близкий друг Игорь Львович Ландау, сын Льва Давыдовича. Вчетвером с Андреевым, Ландау и Кузьминым мы шли в ирландский паб через дорогу от здания университета Чалмерса. Завязывались длинные разговоры, которые я слушал и впитывал как губка.
Вы именно тогда приняли решение продолжить обучение в аспирантуре в Гётеборге?
Да. В первую очередь я благодарен Александру Фёдоровичу Андрееву, который помог мне найти позицию аспиранта в лаборатории прикладной квантовой физики профессора Йорана Вендина. Мне оставалось только сделать семинар по своим последним исследованиям. Но авторитет Андреева был настолько велик, что семинар был чистой формальностью, и со мной подписали контракт.
Наука
Расскажите, пожалуйста, о том, как складывалась ваша научная карьера после аспирантуры.
До 2006 года я работал в лаборатории Вендина, занимаясь по сути Андреевской физикой в Джозефсоновских переходах. Моими непосредственными руководителями были теоретики харьковской школы Виталий Сергеевич Шумейко и Евгений Васильевич Безуглый.
Окончив аспирантуру в 2006 году и защитив PhD, я вернулся в Москву. К тому времени я был женат и у нас в семье уже родилась дочка. В России я стал работать на кафедре магнетизма МГУ, но ситуация была сложной, это было ещё довольно трудное время в российской науке. Будучи аспирантом, на одной из конференций я познакомился с Александром Авраамовичем Голубовым, крупным специалистом по Андреевской физике из Университета Твенте в Нидерландах. Общение с ним произвело на меня глубокое впечатление, и я решил ему написать. Александр Авраамович попросил меня прислать своё резюме и список статей и довольно быстро согласился взять меня постдоком на год.
2007 год я провёл у Голубова в Твенте. Это было замечательное время, мы сделали отличное исследование и написали хорошую статью в Physical Review B, одну из самых цитируемых в моей карьере. К тому же, в мае 2007 года у нас с женой родился сын. Ближе к осени я стал искать новый контракт постдока, поскольку срок предыдущего контракта уже истекал. И довольно быстро нашёл его во Франции, в Гренобле, в лаборатории Франка Хеккинга в Национальном центре научных исследований (CNRS). Франк сыграл в моей жизни огромную роль. Он обладал шармом джентльмена и манерами аристократа, умел тонко шутить, имел отличный вкус практически во всём. Он был не только профессором теоретической физики, но и официально работал виолончелистом в Гренобльском симфоническом оркестре. Порой после работы он играл на виолончели в своём рабочем кабинете, а мы, его ученики, заворожённо слушали. Благодаря умелой дипломатии Франка, я задержался постдоком в Гренобле намного дольше, чем мог рассчитывать согласно французским правилам. Возможно, я смог бы работать с Франком и дальше, но, к сожалению, в 2014 году Франк заболел онкологией и после тяжёлой болезни умер весной 2017. Даже будучи тяжело больным, Франк во всём поддерживал меня. Он инициировал мою хабилитацию – защиту следующей после PhD диссертации, аналога докторской. Я стал хабилитированным доктором осенью 2015 года, уже работая в Департаменте электронной инженерии МИЭМ.
Мой рассказ про учителей уже достаточно длинный, но он будет очень неполным, если я не упомяну Евгения Владимировича Чулкова. Я познакомился с ним в 2015 году, находясь с научным визитом в Международном физическом центре Доностии в городе Сан Себастьяне в Испании. По приглашению Евгения Владимировича я много лет ездил в Международный физический центр Доностии сперва как приглашённый исследователь, а с 2019 года как приглашённый профессор. Эти визиты открыли для меня новое измерение в науке. Кроме сверхпроводимости, я увлёкся вычислительной наукой о материалах, находящейся на стыке физики конденсированного состояния и квантовой химии. Сейчас вместе с Чулковым и рядом других исследователей в России и за рубежом я занимаюсь изучением новых материалов для солнечной энергетики и фотокатализа – перовскитов и ряда двумерных материалов.
Вы окончили физфак МГУ, сильный своей теоретической составляющей, видели разные модели образования, активно участвовали два десятилетия в научной работе, в том числе на международном уровне. Насколько изменилась именно наука за прошедшее время: инструментарий, методология, в целом механизмы того, как ей занимаются?
Это хороший вопрос. За последние годы теоретическая физика действительно довольно сильно изменилась. Для определённости я буду говорить про теоретическую физику конденсированного состояния.
Я не просто застал эти перемены, они отразились в моей исследовательской работе. Теоретическая физика большую часть ХХ века создавалась «на кончике пера». Возникли необычайно красивые микроскопические теории. Возникли поражающие воображение феноменологические теории, такие как теория Ферми-жидкости Ландау. Однако постепенно задачи одна за другой решались, а оставшиеся нерешёнными задачи становились всё более сложными для аналитического описания.
Про этот феномен хорошо сказал выдающийся ученик Ландау – Игорь Ехиельевич Дзялошинский. Знаменитого Игоря Ехиельевича я повстречал в Гренобле в теоргруппе Института Лауэ-Ланжевена. Мне удалось поучаствовать в конференции, посвящённой его 80-летию в 2011 году. На моей книжной полке в МИЭМ до сих пор стоит знаменитая «зелёная» книга трёх авторов (Абрикосов, Горьков, Дзялошинский) с подписью Игоря Ехиельевича «на добрую память о встрече в Гренобле». Так вот, Дзялошинский сказал молодым теоретикам, в числе которых был Игорь Анатольевич Лукьянчук: «Ребята, мне вас искренне жаль! Вы обречены на трудную жизнь. Все простые задачи мы уже решили, а вам остались только сложные». Игорь Анатольевич отразил это в своих воспоминаниях.
Мне удалось это пройти и осознать самому. Мои первые работы сделаны в технике функций Грина, так великолепно изложенной в упомянутой выше книге трёх авторов. При этом все вычисления производились аналитически или «в квадратурах» (ответ мог быть представлен в виде интеграла). Однако постепенно стало понятно, что «хороших» задач, которые могли бы быть решены с использованием аналитического подхода, становится всё меньше, их приходится напряжённо искать. И, напротив, есть нерешённые интересные задачи, которые связаны с мощным численным счётом. Это осознание пришло не сразу. И понять новые горизонты и новые перспективы во многом помогло общение с Евгением Владимировичем Чулковым. Это крупный специалист по суперкомпьютерному атомистическому моделированию. Он увлёк меня теорией функционала плотности и расчётом свойств новых материалов на суперкомпьютерах.
Надо сказать, что вычислительным методам вроде теории функционала плотности тоже уже немало лет. Вальтер Кон и Джон Энтони Попл получили Нобелевскую премию по химии за создание этих методов в 1998 году. И сегодня мы снова сталкиваемся со сменой парадигмы. Ещё недавно новая наука рождалась с ростом вычислительной мощности суперкомпьютеров. Сегодня мощность суперкомпьютеров выходит на насыщение, и использование стандартных методов уже не приносит прорывов. Однако, на помощь физикам и химикам приходит искусственный интеллект. Применение методов машинного обучения вместе с теорией функционала плотности и квантовой динамикой позволяет описывать реалистичные материалы со множеством дефектов, а также процессы, происходящие в таких материалах в реальном времени.
Применять методы машинного обучения мы с коллегами стали совсем недавно. Только что нашу статью на эту тему приняли в PNAS, её название «Преодоление размерных ограничений в неадиабатической молекулярной динамике конденсированных систем с помощью локального дескрипторного машинного обучения».
Что из этого следует? Появляются всё новые и новые методы для решения задач, которые Природа ставит перед нами. Важно работать на острие этих методов. Тогда удаётся решать по-настоящему интересные задачи. По мере развития методов большинство интересных задач в рамках прежнего подхода оказываются решёнными. А для решения новых задач нужны новые методы. Сегодня это сочетание суперкомпьютерного моделирования и искусственного интеллекта. Следует отметить, что в Вышке, в нашем здании МИЭМ, находится один из лучших в России суперкомпьютеров. Мои китайские постдоки считают его конкурентоспособным китайским аналогам. Это позволяет нам в МИЭМ вести высококлассные исследования мирового уровня.
Вы работаете над докторской диссертацией. Если не секрет, о чем ваше исследование?
Докторская будет посвящена математическому моделированию сверхпроводниковых гибридных структур. Для такого моделирования используется метод функций Грина, хорошо описанный в упомянутой выше книге трёх авторов (Абрикосов, Горьков, Дзялошинский). Используя этот метод, мне с соавторами удалось получить ряд новых интересных результатов.
Гибридные структуры легко представить себе в виде конструктора Lego. Там есть детали разных цветов, которые можно соединять друг с другом. Представим себе, что синяя деталь – сверхпроводник, зелёная – металл, красная – ферромагнетик. Этими материалами всё не исчерпывается, есть великое множество разных ферромагнетиков, топологические изоляторы, графен и т.д. Но главная деталь при этом – сверхпроводник, он существенно «другой» по сравнению с остальными деталями, так как в нём ток переносится куперовскими парами. Если в гибридной структуре течёт ток, то электрический ток из несверхпроводящих деталей преобразуется в сверхток куперовских пар в сверхпроводниковых «синих» деталях с помощью механизма Андреевского отражения, теоретически предсказанного Александром Фёдоровичем Андреевым в 1964 году.
В ряде случаев перенос заряда в таких структурах сопряжён с переносом тепла. Возможна, например, ситуация, когда, пропуская ток через гибридную структуру, мы охлаждаем один из элементов структуры (как правило, металл). Если между двумя «синими» сверхпроводниковыми деталями оказывается достаточно короткая несверхпроводящая деталь (слабая связь), то возможен сверхток куперовских пар через слабую связь без приложенного напряжения (стационарный эффект Джозефсона). Кроме того, в ряде таких структур возможен перенос спина. А спин электрона тоже может быть носителем информации. Эти явления изучает сверхпроводниковая спинтроника. Кстати, моя хабилитационная работа в Гренобле называлась «Перенос заряда, тепла и спина в сверхпроводниковых гибридных структурах».
Что касается творческих планов, сейчас основной акцент в работе связан с описанием свойств новых материалов для солнечной энергетики и фотокатализа. В этой области существует множество интересных нерешённых задач. Некоторые из них - вызов научному сообществу, поскольку в настоящее время присутствует существенный разрыв между экспериментами и их теоретическим описанием. Надеюсь, что используемые нами методы позволят разрешить эти противоречия. На этом пути у нас уже есть определённые успехи. При этом бросать область сверхпроводниковых гибридных структур я не собираюсь. В этой области у меня есть множество коллег, в том числе коллег-экспериментаторов. Экспериментаторы всегда могут найти интересные задачки для теоретиков даже в очень хорошо изученных областях.
Сопутствующий вопрос. Насколько известно, вы сейчас занимаетесь изучением перовскитов для космических батарей. В чем здесь перспектива, чем именно занимаетесь в этой части вы?
Перовскиты – это полупроводниковые материалы, которые легко получить осаждением из раствора. Существует довольно много перовскитов разного химического состава. Их объединяет структура кристаллической решётки. Под действием солнечного света электроны валентной зоны перовскита переходят в зону проводимости. Происходит разделение зарядов – в валентной зоне остаются положительно заряженные дырки. Основная задача - развести эти заряды по разным электродам, чему может препятствовать электрон-дырочная рекомбинация. Кстати, название перовскитов пошло от фамилии государственного деятеля Российской Империи графа Льва Алексеевича Перовского. Он был заядлый коллекционер минералов и финансировал геологические экспедиции в Уральских горах, в одной из которых и был открыт перовскит.
Перовскитные солнечные элементы могут оказаться очень эффективной заменой существующим кремниевым солнечным элементам. Кремниевые солнечные батареи дорогие в производстве и в утилизации и менее эффективно используют энергию солнечного света. Однако, сегодня по-настоящему эффективны только свинцовые перовскиты, содержащие токсичный свинец в своём составе. Замена свинца на другие элементы, например, олово или германий, приводит к катастрофическому падению эффективности. В чём тут проблема, ещё предстоит разобраться. Решение поможет создать нетоксичные перовскитные солнечные батареи. Мы занимаемся этой проблемой наряду с множеством других. Например, перовскиты – довольно мягкие материалы. В них возникает множество дефектов. Ряд таких дефектов способствует электрон-дырочной рекомбинации, в результате чего падает эффективность солнечных элементов. Задача - исследовать механизм такой рекомбинации и предложить методы «пассивации» дефектов. Во всех этих задачах на помощь приходит суперкомпьютерное моделирование, а в ряде из них – инструменты машинного обучения. Перовскиты и ряд других материалов также эффективны как катализаторы при фотокатализе.
Что касается космических применений, то в космосе нет проблемы токсичности свинца, и свинцовые перовскиты с отличными характеристиками прекрасно подходят для космических солнечных батарей. Солнечная энергия в космосе безальтернативна: никакой другой просто нет. Поскольку эффективность свинцовых перовскитов в наземных экспериментах доказана, следует опробовать их в космосе. При этом могут возникнуть вопросы радиационной безопасности таких батарей. Эти вопросы ещё только предстоит исследовать как экспериментально в космических миссиях, так и теоретически. В МИЭМ собираются запустить в космос спутник с перовскитными солнечными элементами на борту. Этим занимаются Евгений Дмитриевич Пожидаев и Андрей Евгеньевич Абрамешин, вместе с коллегами из лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем.
МИЭМ
Про МИЭМ – сразу несколько вопросов, объединим в один. Как вы пришли в МИЭМ? Какие задачи сегодня решает лаборатория квантовой наноэлектроники, в которой вы работаете? Вы упомянули моделирование и ИИ как важные инструменты исследований, в МИЭМ многие специалисты занимаются именно этими направлениями. Кто из них включен в ваши исследования? И в целом, какой коллектив окружает вас?
Попасть в МИЭМ удалось благодаря моей дружбе с Константином Юрьевичем Арутюновым, с которым меня познакомил Франк Хеккинг ещё во время моей работы в Гренобле. Сегодня Константин Юрьевич является заведующим лаборатории Квантовой наноэлектроники.
Тематика нашей лаборатории довольно широкая. Внутри лаборатории есть несколько групп «по интересам». Одна из таких групп - научно-учебная группа «Новых материалов для солнечной энергетики», которую мы создали вместе с Ренатом Шамильевичем Ихсановым. Мы занимаемся перовскитами и рядом новых двумерных материалов для солнечной энергетики и фотокатализа. Мы ищем заинтересованных в этой теме студентов в нашу группу. Консультантом нашей группы является крупный физик-теоретик, ординарный профессор ВШЭ Максим Юрьевич Каган. Кстати, именно Максим Юрьевич вместе с учёным секретарём МИЭМ Валентином Павловичем Симоновым проводили со мной собеседование при приёме на работу в 2015 году. В следующем году в сентябре у меня другой важный юбилей – десять лет работы в МИЭМ.
С Константином Юрьевичем Арутюновым я продолжаю наше давнее сотрудничество по неравновесным явлениям в сверхпроводниковых гибридных структурах. Сейчас оно подкреплено грантом РНФ, который Константин Юрьевич выиграл примерно год назад. Исследование неравновесных явлений играет крайне важную роль в сверхпроводниковых гибридных структурах, например, в детекторах излучения. Так, попадающий на рабочий элемент детектора фотон поглощается электроном, в результате чего электрон приобретает огромную по сравнению с другими электронами энергию. Благодаря электрон-электронному взаимодействию вскоре множество электронов становятся «горячими», образуя «горячее пятно». Это приводит к всплеску тока через детектор и детектированию фотона. «Горячее» пятно состоит из сильно неравновесных электронов с энергией намного большей, чем они должны иметь в основном состоянии. И напротив, в ряде элементов сверхпроводниковой электроники, например, в кубитах, неравновесные явления часто играют паразитную роль, и нужно уметь с ними бороться.
В МИЭМ я также продолжаю тесно сотрудничать с одним из моих руководителей – Александром Авраамовичем Голубовым, с которым мы за эти годы стали не только соавторами десятков статей, но и хорошими друзьями. Есть и целый ряд других коллабораций. Например, уже упомянутое мной сотрудничество с лабораторией функциональной безопасности космических аппаратов и систем Евгения Дмитриевича Пожидаева. Это сотрудничество только начинается, надеюсь, оно окажется продуктивным. У меня также есть ряд совместных научных задач с сотрудниками Центра Квантовых метаматериалов Алексея Вячеславовича Вагова. В этой лаборатории у меня много давних хороших друзей, которых я близко знаю ещё по своей работе во Франции. Кроме Алексея Вячеславовича это Аркадий Аркадьевич Шаненко и Михаил Дмитриевич Кройтору. С ними мы занимаемся вопросами, о которых я ещё не говорил в этом интервью. Это теоретические исследования ряда новых сверхпроводниковых материалов, например, сверхпроводниковых ферромагнетиков.
В настоящий момент есть планы более крупного объединения физических и материаловедческих лабораторий внутри МИЭМ в один крупный научный центр.
Квантовая физика - тоже в фокусе вашего научного внимания. Отношение к ней зачастую иррациональное, поскольку она совершенно непонятна в обычной логике. Что сегодня в квантовой физике в фокусе? Что представлено в МИЭМ, в вашей работе? Ну и квантовый компьютер - сейчас время, когда существуют экспериментальные образцы, но сам квантовый компьютер остается гипотезой. Что должно случиться, чтобы гипотеза стала реальностью?
В основном, я изучаю в своей работе макроскопические квантовые явления. Сверхпроводимость, магнетизм – примеры таких явлений. По сути, вся современная теория конденсированного состояния основана на нерелятивистской квантовой механике. При этом для математического описания макроскопических квантовых явлений часто используется так называемая квазиклассическая физика. Иногда такие упрощённые подходы не работают и приходится обращаться к полностью квантовомеханическому описанию. Например, при описании процессов фотокатализа используется теория функционала плотности. В ней вводится понятие электронной плотности, распределение которой описывается так называемым уравнением Кона-Шэма (уравнением типа уравнения Шредингера). При этом ионы (масса которых определяется массой ядер) описываются классически, так как они очень тяжёлые в сравнении с электронами. Это хорошо работает практически для всех элементов, кроме водорода. «Проблема водорода» возникает, например, при расщеплении воды или восстановлении метанола путём фотокатализа. Ионы водорода – это протоны, и их нужно рассматривать как квантовые частицы, используя, например, метод интегралов по траекториям Ричарда Фейнмана. Квантовая механика необходима и для описания наноразмерных кристаллов – например, перовскитных квантовых точек. Нанокристаллы перовскитов используются для создания современных светодиодов, так что их исследование - очень актуальная задача.
Но сегодня физики и химики научились манипулировать индивидуальными квантовыми состояниями. Возникают новые квантовые технологии, среди которых «квантовая криптография», «квантовые коммуникации», «квантовая метрология», «квантовые компьютеры», «квантовые симуляторы» и т.д. Сам я не занимаюсь этими вопросами, хотя они безусловно очень интересны. Но всем на свете заниматься не получается. При этом у меня был период увлечения квантовым компьютером на поверхностном, научно-популярном уровне. Дело в том, что одними из самых передовых на сегодня кубитов (элементов квантового компьютера, его «транзисторов») являются кубиты на базе Джозефсоновских переходов. Джозефсоновский переход представляет собой гибридную структуру из двух сверхпроводниковых электродов, соединённых слабой связью (слоем изолятора, нормального металла или ферромагнетика). Поскольку я много лет занимался физикой Джозефсоновских переходов, меня заинтересовала тема кубитов и квантового компьютера. К тому же мой близкий друг и соавтор, японец Широ Кавабата из Института передовой промышленной науки и технологии в Цукубе, стал руководителем программы по созданию адиабатического квантового компьютера в Японии. Нынешние аспиранты могут помнить визиты Широ в МИЭМ в 2016, 2017 и 2019 годах. На его лекции по квантовым компьютерам собиралось множество студентов разных курсов.
Лекции Широ сподвигли меня на достаточно поверхностное изучение предмета и создание своей собственной лекции, которую я многократно читал студентам на профориентационных семинарах, на зимней школе в Вороново и т.д. Надо сказать, что именно время визитов Широ Кавабата в Москву ознаменовалось колоссальным прорывом в этой науке. Если раньше физики могли объединить в перепутанное квантовое состояние только два кубита, то примерно с 2014 года их число стало резко расти, достигнув к 2019 году 53 кубитов в знаменитом квантовом процессоре Sycamore фирмы Google. 23 октября 2019 года группа Джона Мартиниса, руководителя Google Quantum AI Lab, отчиталась о том, что их процессор Sycamore достиг «квантового превосходства» - за 200 секунд решил задачу, которую мощнейший на планете суперкомпьютер Summit считал бы 10 000 лет (https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5).
Результаты группы Мартиниса до сих пор изучаются и подвергаются сомнениям многими научными группами. Но многие также считают его достоверным. Основной результат – что 53 кубита удалось объединить в «запутанное» квантовое состояние, обладающее единой волновой функцией. Классическая аналогия такой запутанности отсутствует. Когда я рассказывал о ней в своей научно-популярной лекции, я приводил для объяснения запутанного состояния двух кубитов пример Гарри Поттера и Волан-де-Морта. Эти два разных персонажа книг Джоан Роулинг в каком-то смысле составляли одно целое, так как Гарри мог проникать в мысли Волан-де-Морта и видеть происходящее его глазами. Но вернёмся к процессору Sycamore. 53 кубита удалось запутать, но при этом процессор всё равно не работает корректно – каждая операция над волновой функцией запутанных кубитов даёт ошибку, а механизма исправления ошибок до сих пор не существует. Физики и инженеры квантовых компаний работают над этим. Данные исследования в последнее время ушли из активного публичного поля и реже публикуются в международных научных журналах. Возможно, это связано с застоем в получении новых результатов, а возможно - с повышенной секретностью этих исследований. Периодически возникают новые публикации о достижении ещё лучшего, чем у Google, «квантового превосходства». Одна из таких статей прямо сейчас находится на рецензии в каком-то научном журнале и доступна для скачивания в архиве Корнельского университета (https://arxiv.org/abs/2406.02501).
Суммируя сказанное: в настоящее время мы находимся в эре noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computers, что в переводе на русский означает «шумные квантовые компьютеры промежуточного масштаба». «Шумные» - потому что их работе мешают квантовые шумы, приводящие к ошибкам в операциях над волновой функцией запутанных кубитов. «Промежуточный масштаб» - всего несколько десятков кубитов в запутанном квантовом состоянии. Несмотря на «квантовое превосходство», связанное с 2 в 53 степени параллельных вычислений, битстринг результата вычислений с помощью процессора Sycamore состоит всего из 53 цифр (нулей и единиц), что недостаточно для многих приложений. Квантовый компьютер, возможно, станет реальностью, когда будет реализована схема исправления квантовых ошибок при выполнении операций над волновой функцией кубитов.
Проектная работа: если она у вас есть именно по исследуемым вопросам, то какая она? Какие задачи решают студенты? Как формируются и работают такие команды?
Всё же проектная работа больше подходит инженерам, а я занимаюсь фундаментальной наукой, пусть и с прикладным потенциалом. Более того, для инженеров проектная работа абсолютно необходима. Создать действующее устройство, даже его прототип – сложная командная работа, требующая абсолютно разных навыков. Кто-то занят дизайном корпуса устройства, кто-то «начинкой», кто-то пишет программные коды. Иногда нужен даже инженер-экономист, оценивающий затраты на внедрение. Всё это настолько разные навыки, что совмещать их в одном человеке нет никакой возможности.
Что же касается фундаментальной науки, то тут такое разделение достаточно условно и его сложнее организовать. Студент должен полностью освоить метод, чтобы самостоятельно получить результат. Возможны, конечно, варианты, когда студент ещё не владеет всей полнотой методов, но уже освоил, например, инструменты машинного обучения. Тогда для дальнейшей работы ему можно дать данные, полученные кем-то другим на суперкомпьютере. Но это скорее связано со сложностью суперкомпьютерного моделирования. Кстати, в МИЭМ есть магистерская программа по суперкомпьютерному моделированию на Департаменте прикладной математики. Сам я с Департамента электронной инженерии и прикладные математики ко мне приходят очень редко. Если кто-то из студентов-магистров в области суперкомпьютерного моделирования прочтёт это интервью и захочет заниматься перспективными материалами для солнечной энергетики, я с радостью приму его в свою команду.
В общем, пока что проектная деятельность идёт у меня не в полную силу. Но я продолжаю работать в этом направлении. Есть ощущение, что в области суперкомпьютерных расчётов, сопряжённых с моделированием квантовой динамики и инструментами машинного обучения, в будущем удастся создать настоящий проект, как в инженерных науках. Когда, например, каждый из студентов будет ответственен за один из перечисленных методов. Такое разделение может привести к повышению результативности научной работы в данной области.
Чем сегодня студент отличается от того, который был 10-20 лет назад? Что отличает его в лучшую сторону? Чего не хватает, может быть? Какие советы начинающим ученым вы могли бы дать?
Мне довольно тяжело ответить на первый вопрос, так как я учился на физфаке МГУ, а работаю в МИЭМ. Каково сейчас на физическом факультете МГУ или ВШЭ я не слишком хорошо представляю, а каково в МИЭМ, понимаю, но МИЭМ готовит существенно других специалистов. Сильная сторона студентов МИЭМ – их высокая образованность в методах и языках программирования, хорошее знание программ обработки данных, достаточно уверенное «практическое» знание математики и т.д. Но если говорить о физике вообще и о физике конденсированного состояния в частности, то тут студенты получают достаточно поверхностные знания в отличие от студентов физического факультета МГУ моего времени, что, впрочем, вполне объяснимо программой подготовки и учебными планами.
При этом в теоретической физике есть разные подходы к воспитанию специалистов. Если выделить из множества смешанных «чистые» состояния, то эти подходы можно назвать по имени двух великих физиков-теоретиков XX века: Льва Давыдовича Ландау и Якова Борисовича Зельдовича. Подход Ландау заключался в том, что желающему студенту предлагали сперва сдать экзамены «теоретического минимума» по всем разделам теоретической физики и по математике. Даже у очень способных и упорных студентов на это уходило немало времени. Только после успешной сдачи теоретического минимума студент допускался до научной работы. Понятно, что это был весьма успешно работающий подход. Успех подхода виден по плеяде выдающихся теоретиков из школы Ландау.
Подход Зельдовича был другим. Сам Зельдович его описывал так – можно взять неподготовленного человека и посадить его решать конкретную задачу. Сперва он ничего не будет понимать, а потом потихоньку втянется и начнёт неплохо работать. Вот именно подход Зельдовича прекрасно подходит для научного руководства теми студентами МИЭМ, которые хотят заниматься нашими задачами. При этом данный подход в значительной степени оправдан сегодня теми фундаментальными изменениями, которые происходят в теоретической науке, и о которых я говорил выше. Во времена Ландау превалировали аналитические теории, и исследователю необходимо было знать теоретическую физику во всей полноте для эффективной работы. Сегодня сменилась вся парадигма. Для решения интересных задач аналитическая теория практически не подходит, слишком многое уже сделано великими предшественниками. Нужны знания программирования, машинного обучения, навыки суперкомпьютерных вычислений скорее, чем знание квантовой теории магнетизма или теории Бардина-Купера-Шриффера (микроскопическая теория сверхпроводимости). Всё это есть у студентов МИЭМ.
Поэтому начинающим я бы посоветовал не бояться идти в науку. Для молодых сейчас в науке много возможностей интересно работать и хорошо зарабатывать. Один из моих учеников долго колебался с выбором научного пути. Его страшила возможная низкооплачиваемая работа в будущем. Сейчас он успешно работает и получает очень приличную зарплату. В Вышке есть «единый трек», «академическая аспирантура», именные стипендии, возможность быть стажёром-исследователем научно-учебных лабораторий и центров превосходства. Кроме того, для молодёжи открыто участие во множестве молодёжных грантов. Не надо бояться идти в науку – это здорово. Исследователи ведут интересную жизнь, ездят на конференции, участвуют во множестве коллабораций, часто международных. Сейчас, например, у нас стремительно развивается сотрудничество с Китаем, в которое прямо «с колёс» втягиваются студенты и аспиранты. Ну и не надо бояться, что вы что-то не знаете. «Подход Зельдовича» уже неоднократно показал свою эффективность, в том числе для меня лично на примере моих учеников.
Хобби
Расскажите о ваших увлечениях. Ваши коллеги знают, что вы любите путешествовать. Какой формат предпочитаете? Что еще составляет круг ваших интересов, помимо науки?
Действительно, путешествия можно назвать моим хобби. Когда я был студентом МГУ, я ходил в байдарочные походы. Карелия, Южный Урал, Белое море были местами паломничества многих студентов и, особенно, студентов-физиков. Во время таких походов мы сидели у костра и пели песни Никитиных, Визбора, Митяева, Кукина и многих других бардов. Это может показаться необычным, ведь многие из этих бардов – из поколения моих родителей. Тем не менее, их песни пели в походах люди чуть старше меня. Думаю, что у костров в Карелии их поют и сегодня, эти песни надолго пережили своё время.
Физиков в таких походах было так много, что иногда мы встречали кого-то из известных прямо на маршруте. Так, однажды, мы встретились с группой, которую вёл Евгений Павлович Лихтман, соавтор знаменитой теории суперсимметрии (вместе с Юрием Абрамовичем Гольфандом). Ну и встреча эта ожидаемо окончилась распеванием песен Визбора у огромного костра.
Ну а потом сама научная жизнь стала большим путешествием. Аспирантура в Швеции, постдоки в Нидерландах и Франции, многочисленные научные визиты и конференции во многих странах Европы, в Бразилии, США, Турции, Японии. Живя много лет в Гренобле во французских Альпах, мы с женой ходили и в горные походы, но не слишком экстремальные. Выше 3 тысяч пока не поднимались. А сегодня научная жизнь настраивает на сотрудничество с Китаем. Я там пока не был и с предвкушением ожидаю поездку.
Я также очень люблю поездки по городам с моей женой. В России мы особенно любим Санкт Петербург. Как только я туда приезжаю в любую погоду, у меня тут же устанавливается отличное настроение, а все проблемы уходят куда-то на задний план. При этом в Питере бесконечно много пластов истории и культуры, и пока нам каждый раз удаётся открывать для себя что-то новое. В этом году открытием также стал Рим. Я побывал там в первый раз по приглашению профессора Антонио Бьянкони. Обычно мы покоряем города пешком, лишь изредка подключая общественный транспорт. К вечеру шагомер на телефоне может показывать 40 тысяч шагов и более.
Ещё одним хобби является чтение книг на французском языке. Сейчас я как раз перечитываю свою самую любимую книгу – «Трёх мушкетёров» Александра Дюма. Я согласен с Владимиром Владимировичем Познером, что «Три мушкетера» – это величайшая книга. Впереди меня снова ждут «Двадцать» и «Десять лет спустя». Эти книги я также очень люблю. Я выучил французский довольно поздно и не использую его активно в своей работе, как английский. Поэтому стараюсь каждый день находить время, чтобы читать хотя бы понемногу.
Андрей Сергеевич, большое спасибо за уделенное время! Желаем вам новых ярких творческих и профессиональных достижений!
И вам спасибо!