Не думай об аттосекундах свысока

Сергей Попруженко, докт. физ.-мат. наук, зав. кафедрой теоретической ядерной физики НИЯУ МИФИ, рассказывает, какие технологические прорывы можно ожидать от аттосекундной физики при создании оптических и квантовых компьютеров, а также о ее возможных применениях при освоении термоядерного синтеза. Беседу ведет Дмитрий Лобачев¹.

— Добрый день. Меня зовут Дмитрий Лобачев, я основатель и руководитель компании Navigator4D², занимающейся виртуальными трехмерными технологиями в культуре и образовании, а кроме этого, в прошлом я выпускник Московского инженерно-физического института (МИФИ), факультета теоретической физики. Сегодня в нашей беседе я приветствую Сергея Попруженко, моего одногруппника и замечательного ученого и исследователя, одной из сфер интересов которого являются сверхкороткие аттосекундные лазерные импульсы. Я попрошу Сергея представиться самостоятельно.

— Всем добрый день. Меня зовут Сергей Попруженко. Я заведующий кафедрой теоретической физики Московского инженерно-физического института³. И, как из названия кафедры следует, занимаюсь такой областью деятельности, которая называется теоретическая физика. Это то, что связано с познанием окружающего мира путем написания различных формул, отысканием, если так высокопарно выражаться, законов природы, переложением этих законов на математический язык и предсказанием новых явлений, описанием того, что мы видим вокруг, а также пониманием физического мира, который нас окружает. Моя специализация — взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Это, конечно, очень широкая формулировка. Более узко — это лазерная физика, взаимодействие лазерных полей с веществом. То есть это электромагнитные поля, которые создаются при помощи лазерных систем и отличаются от иных электромагнитных полей, которые нас окружают буквально всюду и всегда, высокой степенью когерентности и тем, что мы лазерными полями, лазерными импульсами можем очень хорошо управлять, а также тем, что электромагнитное излучение лазеров — это самые сильные электромагнитные поля, которые есть в распоряжении человека, да и вообще в природе, пожалуй.

Новые типы компьютеров

— Да, это действительно совершенно уникальное излучение. Я хочу со своей стороны сказать, что во время обучения в МИФИ мы с Сергеем были в одной группе, потом я обучался на кафедре лазерной физики, квантовых генераторов, и как раз моя работа была связана с более утилитарным применением лазеров — это лазерное трехмерное сканирование и трехмерная графика, в этой области я и продолжил далее работать. В какой-то момент я занялся трехмерной графикой и созданием цифровых клонов и трехмерных реплик архитектурных и культурных объектов реального мира. Это процесс очень трудоемкий, по трудоемкости и по техническим затратам он близок, наверное, к тому, что мы сейчас наблюдаем в связи со всплеском интереса к искусственному интеллекту, поскольку приходится сканировать огромное количество объектов — сотни тысяч и миллионы фотографий, это лазерные сканы, с помощью них мы создаем виртуальные реплики реальных объектов. Тут есть какое-то пересечение наших областей деятельности. Это прежде всего совершенствование вычислений и их ускорение — ведь на сегодняшний день, как мы знаем, огромное количество ресурсов требует искусственный интеллект.

И здесь с каждой новой версией ИИ, создаваемой компаниями вроде OpenAI (в частности, речь об их ChatGPT), потребности в энергоресурсах и технических мощностях растут. Это грид-серверы, которые используют графические карты с графическими процессорами, в основном NVIDIA, потребности при переходе от версии 3 к версии 4 увеличиваются почти на порядок, и на сегодняшний день это уже весомая часть потребления энергии тех же Соединенных Штатов.

Становится понятно, что при появлении следующих версий того же ChatGPT или принципиально новых версий искусственного интеллекта мир упрется в некое «бутылочное горлышко». То есть развитие ИИ может затормозиться из-за энергетических проблем. Сегодняшние технологии, допустим, чипы тайваньской компании TSMC, — это 1,6 нм, до того были 2 нм (1,6 только в производстве), а через 2–3 года видеокарты станут использовать эти двухнанометровые технологии и упрутся в некий предел, который не позволит большее количество транзисторов упаковать на единицу площади на кристалле, который является основным рабочим ядром видеокарты. И новые мощности, новые версии того же ChatGPT можно будет запустить, только линейно масштабируя количество видеокарт.

Это в свою очередь ведет к линейному увеличению энергозатрат, и здесь энергосистема любой страны, даже такой большой, как США, скажет стоп, развитие остановится. Вопрос, который родился после того, как я прослушал интервью Сергея и поискал информацию на эту тему: что мы можем сделать, чтобы увеличить скорости дальнейших вычислений? Поскольку даже моя область, связанная с трехмерной графикой, требует сравнимых мощностей для создания, например, трехмерной метавселенной, по которой можно перемещаться, которую можно использовать в градостроительстве, в искусстве, в культуре, в туризме, в науке. Создать ее полноценную копию без привлечения огромных мощностей тоже невозможно. То есть этот вопрос актуален, в частности, и для моей области, не говоря уж про ИИ и про его массовое использование в качестве «копайлота» в науке и бизнесе — и математики его используют, и программисты, и физики. Это всё ведь не только для того, чтобы делать картинки по запросу в Midjourney или студенческие рефераты с помощью ChatGPT. Даже эта часть может не то, чтобы прийти в упадок, но встать на паузу именно из-за невозможности повышения мощности.

— В тупик? И в тупик может зайти, да, безусловно.

— Теперь вопрос к Сергею. Здесь мы на самом деле как люди прагматичные должны смотреть в завтрашний день и предвидеть наличие проблемы, а возможно, и работать с ней. Эта проблема очевидна, она уже возникает и разрастется еще больше, Но есть, возможно, и некое окно, которое мы можем превратить в дверь, позволяющую пройти это «бутылочное горлышко». Речь идет как раз о специфике работы Сергея со сверхкороткими аттосекундными импульсами и о возможности на основе этой технологии создать теоретически, а возможно, уже и практически совершенно другого класса вычислительные устройства, когда мы можем с помощью сверхкоротких импульсов заставить очень небольшие объемы вещества, буквально, может быть, какое-то количество атомов превратится на короткое время в диод либо транзистор. Таким образом мы можем повысить плотность упаковки транзисторов на несколько порядков, это может быть даже шесть порядков, потому что аттосекундные импульсы и размеры гораздо меньше нанометра — это, возможно, завтрашний день и прорыв. Сергей, мог бы ты поподробнее рассказать о том, на каком этапе сейчас находятся эти исследования и что мы можем увидеть завтра-послезавтра?

— Спасибо за подробное введение, спасибо за вопрос. Попробую ответить, как я это всё вижу и понимаю, по возможности разделяя реальность и научную фантастику, потому что мы, конечно, здесь, в такого рода разговоре имеем полное право и пофантазировать. Но при этом желательно не выходить за те рамки, которые нам очерчивает наука, и те ограничения, которые объективно существуют.

Сначала о том, что такое аттосекундная физика, аттосекундная оптика, почему это интересно и почему это потенциально хочется где-то применить. Во-первых, я думаю — и Дмитрий меня поддержит в таком утверждении, — что оптика — это вообще очень удобный инструмент. Со светом, с электромагнитным полем очень удобно работать, заставляя его что-то сделать. Ионизовать среду, поменять коэффициент преломления, поменять проводимость, т. е. изменять свойства тех материалов, на которые это излучение падает, довольно легко.

Поэтому оптика уже в течение многих десятилетий, да, может быть, и уже более ста лет — это для физиков в первую очередь — очень удобный инструмент исследований и приложений. И мы все знаем, что, например, лазерные системы — от лазерной указки до сверхмощных источников, при помощи которых пытаются сделать термоядерный синтез, — окружают нас буквально повсюду: в медицине, в IT-технологиях, ну просто везде-везде-везде, именно потому, что это удобный инструмент.

Теперь по мере того, как этот инструмент развивается и физики научились делать то, что раньше не умели, появилось весьма серьезное продвижение, отмеченное Нобелевской премией прошлого, 2023 года — создание электромагнитных импульсов чрезвычайно короткой длительности. Вот они и называются аттосекундными. Аттосекунды — это 10^—18 с, т. е. 1 миллиард от 1 миллиардной секунды. И это меньше, чем время, которое требуется электрону на то, чтобы пролететь один круг по боровской орбите в атоме водорода. То есть это времена, которые меньше квантовых, меньше атомных времен тех систем, которые нас окружают всюду, — атомов, молекул, твердых тел. Поэтому, коль скоро мы научились делать такие оптические инструменты, мы можем попытаться с их помощью забраться в такие области исследования вещества и управления свойствами этого вещества, которые раньше были недоступны. Если говорить коротко, усилиями большой группы физиков, в которую я погружен, наверное, уже около двадцати лет (и со многими знаком, со многими работал, в том числе, вот, Пьера Агостини я знаю, который получил Нобелевскую премию в прошлом году) примерно за 10–15 лет напряженных исследований была разработана технология получения очень коротких импульсов. Она непростая. Вы должны прежде всего взять какой-нибудь более или менее обычный лазер, который излучает в инфракрасном или оптическом диапазоне (это значит, что энергия фотона у него порядка 1–2 эВ), светить им, но импульсами очень короткими, фемтосекундными, — а это в тысячу раз больше, чем аттосекундные. Но фемтосекундные лазеры — это, что называется, сейчас уже повседневность, вы можете просто пойти в лазерную компанию и купить хороший фемтосекундный лазер. (Вот просто выбрать и сказать: «Заверните в бумажку мне вот этот». Да, он стоит дорого, но по нынешним временам эта вещь абсолютно стандартная.)

Используя такого рода лазеры, можно возбуждать вещество. Обычно используют благородные газы для этого — с ними просто удобно работать. И в процессе этого возбуждения возникает вторичное излучение — вы на атомы воздействуете сильным лазерным полем, оно их «дергает», электроны внутри возбуждает и ионизует, и вот когда эти электроны релаксируют назад, возникает вторичное излучение. Это излучение обладает уже более высокими частотами. То есть вы из энергии фотона в 1 эВ получаете энергию фотона в 100 эВ.

— То есть мы таким образом на 1,5–2 порядка добираемся до аттосекундных гармоник?

— Да, а раз у вас энергия фотона больше, то потенциально длительность импульса может быть во столько же раз меньше. Потому что — кто знает математику — это элементарное преобразование Фурье. Есть предел длины, он связан с длительностью, он связан с энергией. Поэтому как только вы получили вот это излучение с энергией 100 эВ — вы потенциально получили электромагнитный импульс с длительностью 10 аттосекунд.

И это очень круто. Другой вопрос, что потенциально и реально — это не одно и то же. Нужно, чтобы эти самые гармоники, которые возникли от воздействия лазерного излучения на систему, сложились когерентно с нужными фазами, а не просто случайно в какой-то белый шум. Нужно научиться управлять этими фазами, подобрать таким образом то, что вам нужно, плюс конструктивную интерференцию — чтобы была конструктивная, а деструктивная чтобы погасила себя везде, кроме какого-то узкого участка. Вот это большая работа, но она сделана, это получилось. И в результате мы имеем в распоряжении такие вот вещи — последовательности импульсов очень короткой длительности. Естественно, как только мы получили в свое распоряжение такого рода инструмент, захотелось этот инструмент где-то применить.

Как только у вас появилась новая отвертка, вы ей захотите что-то открутить или прикрутить. И применений довольно много, они не технологические, а исследовательские. Потому что если у вас есть очень короткий импульс, то вы можете в режиме реального времени исследовать процессы, которые протекают чрезвычайно быстро. Например, все люди, работающие на стыке физики и биологии, мечтают о том, чтобы получить инструменты, позволяющие изучать сложные молекулы. Большие биологические молекулы — белки и т. д. — настолько сложны, что рассчитать их свойства, засунув уравнение Шрёдингера в какой-нибудь компьютер, просто невозможно и вряд ли получится в будущем.

— То есть мы можем таким образом изучить большие молекулы, просто технически оперируя короткими дистанциями?

— Да. Физика больших молекул — это очень сильная экспериментальная наука, где вы много работаете в лаборатории, а потом просто пытаетесь это как-то эмпирически обобщить. Если у вас есть вот такой инструмент — короткий импульс, — вы можете «щелкнуть» по этой молекуле один раз коротким импульсом, потом — через какое-то время — посветить на нее еще раз коротким импульсом и смотреть, что происходит, как там движутся ядра.

— В динамике.

— Да, как дрейфует электронная плотность. И через сколько аттосекунд ты должен послать еще один импульс, чтобы, например, отрубить какой-то радикал и как-то катализировать химическую реакцию.

— То есть это работает как фотопленка, когда мы имеем какое-то количество кадров, между соседними положениями которых настолько маленькие временные дистанции, что это позволяют понять структуру и процессы, протекающие в молекуле. Хорошо. Как мы отсюда можем перебраться к диодам и транзисторам?

— Да, сейчас мы туда идем. Это вот такой real-time second movie. Естественно, молекулы — это один объект, диэлектрики — это другой объект. Тоже интересный, еще более сложный, в котором можно производить возбуждение электронов, делая из диэлектрика проводник или полупроводник и отслеживая, за какое время и как, с какими последствиями протекает затем эволюция этих электронных возбуждений. Если открыть обзоры по аттосекундной физике для широкого научного читателя, написанные теми людьми, что получили Нобелевскую премию, а также их коллегами, то там обязательно будет раздел, рассказывающий, как можно потенциально воздействовать на диэлектрики. Естественная мысль: мы можем делать очень быстрые возбуждения, а потом ими управлять, перебрасывать электроны в зону проводимости, делать проводник, потом перебрасывать их обратно, делать диэлектрик. Поэтому потенциально действительно возникает возможность устроить переключение проводимости токов и т. д. вот на таких малых временах.

— То есть фактически можно сделать транзисторный вентиль — переключатель, только масштабом в несколько атомов?

— Да, да. Это на самом деле можно реализовывать на уровне proof of principle, демонстрации того, что это работает. Такие работы существуют экспериментально, они опубликованы, они верифицированы в том смысле, что ни одна группа это сделала, а несколько, — это всё окей. Это реальность. Теперь, если переходить от реальности к тому, о чем мы можем фантазировать: можно ли отсюда идти уже в сторону каких-то технологий? Здесь возникают препятствия, которых много и про которые, с моей точки зрения, пока нельзя сказать, насколько они преодолимы. Здесь есть разные видения. Например, еще один нобелевский лауреат 2023 года, Ференц Краус — вообще визионер и большой любитель предсказывать такие прорывные вещи в этом направлении. Он бы сказал, что да, это всё будет сделано. Я не уверен. Но какого рода сложности нужно преодолеть? Во-первых, аттосекундный импульс короток. Но для того, чтобы это всё работало, нам же нужен не один импульс, нам нужна последовательность импульсов. Она действительно есть. Но в этой последовательности импульсы обычно разделены довольно большими промежутками. То есть для того, чтобы всё это заставить работать, нам еще нужен лазер с очень высокой частотой повторяемости.

— Либо набор лазеров, который позволит просто элементарно их сложить и на порядок увеличить скорость повторяемости. Просто применение нескольких лазеров.

— Ну, порядок — это маловато, хотелось бы больше, потому что сейчас ходовые лазеры, на которых такие эксперименты проводятся, имеют частоту повторения от мегагерца до 100 МГц. Ну, бывает и меньше, конечно.

— То есть, это не те гигагерцы, на которых работают компьютеры, тактовые частоты сегодняшних процессоров? Мы пока отстаем от них на 3–6 порядков.

— Вот, вот. Поэтому эту вот щель тоже надо как-то заполнить, и не очень понятно, как это можно сделать. Но, наверное, такого рода трудность не является совсем принципиальной, это не стена.

— Сергей, возможно, это техническая трудность, которая может быть решена именно работой экспериментаторов и техническими решениями? Теория, не нарушающая законов физики, позволяет нам добиться аттосекундных импульсов. Проблема другая. Нужно создать тактовую частоту, которая может использовать аттосекундные импульсы как преимущество, не миллион раз в секунду, а гигагерцы и даже терагерцы.

— Да, да. Вот это одна из проблем. У нас ограничено и время, и набор тех инструментов, о которых мы говорим, поэтому я не думаю, что нужно углубляться в то, как можно было бы это преодолеть. Там есть какие-то технические идеи, вполне обоснованные, но речь не идет о том, что это будет сделано завтра. Это первый вопрос. Второй вопрос: а насколько это можно миниатюризировать? То есть вы этим очень коротким импульсом можете управлять свойствами диэлектрика очень быстро, окей. Но размер, который закрывает этот импульс, и, соответственно, размер этого условного оптического транзистора — он довольно большой. Потому что исходное излучение — это микрометры, это просто огромный размер по нынешним временам. Потом, когда вы его трансформируете в аттосекундное излучение, вы это можете сфокусировать до десятков нанометров, но не ниже этого. И это тоже многовато, правильно? Поэтому здесь два вопроса, которые пока далеки от технологического решения. То есть, видимо, нужно уходить в еще большие частоты — не для того, чтобы сделать импульс короче, а для того, чтобы сделать область, на которую он воздействует (на диэлектрик), как можно более маленькой, уйти за нанометровый масштаб. Вот эти две проблемы я вижу в качестве серьезного препятствия на нашем пути — нельзя прямо вот взять, пойти и сделать.

— То есть — я резюмирую — на сегодняшний день есть три задачи, из которых решена теоретически и технически только одна — в отношении создания аттосекундных импульсов (по длительности).

— Да.

— Остается тактовая частота работы и физический масштаб поля, который можно выделить как независимую структурную единицу, которая может быть гипотетически представлена как отдельный транзистор, из каких можно набирать уже поле транзисторов.

— Абсолютно точно.

— Кстати, вопрос. Есть какие-то достижения литографии, которая используется в литографических машинах для создания, для вытравки процессоров. Можно ли эти технологии сопрячь применительно к так называемому оптическому компьютеру? Под оптическим компьютером я подразумеваю здесь процесс создания полупроводника из диэлектрика или проводника из диэлектрика с помощью лазерных импульсов. Фактически это в каком-то смысле лазерный компьютер, хотя терминология может быть неправильной…

— Да, это близкие процессы. Кстати, когда вся эта область с высокими гармониками из газов начиналась в 1980-е годы, об аттосекундной физике говорили только научные визионеры, многие считали, что это не получится, а вот о приложении к литографии говорили тогда многие, да. Потому что импульсы высоких гармоник — это десятки, сотни электронвольт, потенциально возможна фокусировка до нанометровых масштабов, и поэтому это отдельный хороший инструмент для литографии. Но чтобы с этой частью вопроса закончить, я должен еще, наверное, отметить: важно понимать, что на самом деле для многих такого рода приложений не нужны большие энергии электромагнитного поля, просто совсем не нужны. Зачастую получается так, что если мы используем электромагнитные импульсы больших энергий, то как бы огромным молотком пытаемся забить маленький гвоздик, молоток такого размера в общем-то и не нужен. Вот как раз аттосекундная и фемтосекундная оптика тем и хороша, что это низкоэнергетическая оптика. И там энергии импульсов — это и микроджоули, и наноджоули, и, может быть, даже пикоджоули, если об очень высоких частотах говорить. Это большая экономия энергии, конечно. И малая длительность этих процессов — это тоже экономия энергии, потому что оммическое тепло выделяется в течение короткого времени. То есть это тоже большое преимущество, которое, я думаю, рано или поздно будет востребовано.

— Фактически у нас сейчас идет конкуренция — ноздря в ноздрю — учитывая плюсы и минусы — есть технические задачи, которые теоретически могут быть решены в тандеме с технологическими лидерами сегодняшней отрасли, такими, как производители процессоров таких наноразмеров, наномасштабов, именно в литографии. Ну хорошо, то есть, в принципе, у нас появляется надежда, что, возможно, на горизонте 10–15 лет могут быть решены эти две технические задачи из трех, или хотя бы будут подвижки, которые позволят понять, в какую сторону нужно двигаться. Хорошо, а какие еще могут быть плюсы использования именно лазеров и так называемых оптических процессоров по сравнению с полупроводниками, которым уже порядка 80 лет?

— Я думаю (и с этого я и начал), что вообще сама по себе оптика — очень удобный инструмент для работы. Мы тут сейчас, наверное, плавно перейдем к теме квантовых компьютеров. Так вот если нечто такое, результат чего вам интересен, можно получить при помощи атомов и оптики, вместо того, чтобы использовать токи и проводники, то это, как правило, удобнее, быстрее и по энергетике гораздо выгоднее. Поэтому, если у вас в качестве среды, в качестве вещества, с которым вы работаете, используются атомы, а в качестве инструмента, который на что-то воздействует и приводит к тому или иному результату, используются оптические ультрафиолетовые импульсы, то этим очень легко управлять — свойствами электромагнитного излучения, в том числе и профилем этих аттосекундных импульсов, какая у них там реальная длительность, где там максимум, какой там фазовый состав. Этим достаточно легко управлять. Вот это главный плюс. Возможно, поэтому и в квантовом компьютинге они тоже могут сработать.

Квантовый компьютинг

— Сергей, мне кажется, это очень хороший задел для продолжения той же темы. Но сейчас предлагаю перейти ко второму вопросу, который, в принципе, технически и идеологически связан с первым, поскольку он также находится на переднем крае и актуален в свете завтрашнего дня. Речь идет о квантовых компьютерах и применении технологии и даже теоретических исследований, которыми ты занимаешься в своей области, в том числе в лазерных оптических компьютерах, к тематике запутанных атомов, запутанных частиц, которые используются как основное рабочее тело, как основные алгоритмические единицы в квантовых компьютерах. Мы все знаем про преимущества квантовых компьютеров при решении определенного класса задач, некоторые из них трудно или даже невозможно решить с помощью «классических» компьютеров, решающих задачи перебором большого количества вариантов. Квантовые компьютеры, использующие кубиты и суперпозиции, позволяют получить ответ, заранее подготовив всю систему определенным образом. Вопрос: обещает ли твоя технология, которой ты занимаешься, гипотетически какой-то прорыв, дает ли она какое-то потенциальное преимущество именно в смысле квантовых кубитов и других частиц, которые обладают двумя и более состояниями?

— Вопрос понял. Ответ на него более туманный, чем на предыдущий вопрос. Потому что главная особенность обсуждаемых сверхкоротких импульсов в том, что их нельзя построить из чистой оптики, они строятся из ультрафиолетового излучения, ведь минимальная длительность связана с энергией фотона. Чем короче у вас импульс, тем больше будет энергия фотонов, из которых этот импульс состоит. Поэтому аттосекундная физика — это фотоны с энергиями десятки и сотни электронвольт. И, соответственно, вопрос в том, с каким носителем вы собираетесь делать квантовый компьютер. Если это нейтральные атомы, в которых оптические переходы порядка 10 эВ — не больше, а скорее меньше, — если речь идет о щелочных атомах, то там это просто не нужно, потому что это другой диапазон энергии фотона. Вы там этим импульсом ничего хорошего не сделаете, вы просто начнете эти атомы ионизовывать. Если речь идет об ионах, если вдруг подберется какой-то носитель, какой-то ион, который удобен для квантового компьютера по другим причинам…

Я отойду от квантового компьютера на секунду. Сейчас еще одна очень интересная тема в квантовой физике, о которой все говорят, — это торий. Торий как новый стандарт частоты, потому что в ядрах тория имеется переход с неожиданно маленькой энергией в 8,3 эВ с чрезвычайно маленькой шириной, на основе которого можно построить новый, еще более точный стандарт частоты. И сейчас все, кто занимается стандартами частоты, мимо проблемы тория не проходят. Кто мог об этом знать до того, как этот переход был открыт? Кто мог это предугадать? Это было сложно предугадать. Ядерные переходы — это такая вещь…

— То есть это некий «подарок» получился?

— Да, «подарок». Это сложная такая «коробочка», которую попробуй еще научись открывать. Потому что именно из-за того, что этот переход очень узкий, его сложно возбудить, сложно померить его точное положение. Но вот сейчас последние буквально полгода очень большой прогресс в этой области произошел. Точно так же и с квантовыми компьютерами. Если окажется, что какое-то вещество или какие-то ионы, их уровни, на которых можно построить кубиты или кутриты, попадают вот в этот диапазон в сотни электронвольт, то тогда, безусловно, разовьются и эти технологии. Ведь для того, чтобы возбуждать эти атомы, готовить эти состояния с нужными волновыми функциями, нужно очень хорошее качество электромагнитного излучения, с которым вы работаете. Значит, если окажется, что есть такие носители, с которыми можно работать на таких энергиях порядка 100 эВ, то, я думаю, это будет очень удобный инструмент. Не обязательно это будет импульс длительностью буквально в 10 аттосекунд, вовсе нет. На самом деле слово «аттосекундный», конечно, «натягивается» на более широкий диапазон параметров, потому что то, с чем реально сейчас работает физика, — это лазерные импульсы длительностью не в одну аттосекунду, а скорее в 100, 200, 300 аттосекунд. Можно было бы более точно сказать, что это субфемтосекундная физика, но такое звучит хуже, хуже «продается», поэтому «аттосекундная».

В области квантовых компьютеров я никакой не специалист, только, оказываясь на конференциях, на каких-то докладах, с интересом что-то слушаю. Если окажется, что есть носители, на которых это по каким-то причинам удобно делать, и у них десятки, сотни электронвольт энергии возбуждения, то это и будет удобная вещь для аттосекундных технологий.

Здесь вопрос должен исходить из области, которая связана именно с реализацией квантовых компьютеров. Потому что этих реализаций, как ты знаешь, несколько, они друг с другом конкурируют. Я по нескольку раз в год слышу, что, нет, ионные ловушки — это самое лучшее, или, нет, полупроводники — это самое лучшее. Но я не знаю, что самое лучшее. Пока, видимо, никто этого не знает. Но в процессе того, как люди будут двигаться, мы поймем, приложимо это туда или нет.

— Но вот, кстати, то, что есть здоровая конкуренция по законам экономики и человеческого бытия, — это ускоряет процесс и стимулирует, и мотивирует каждую из рабочих групп что-то придумывать. И это некая гарантия того, что эта область будет двигаться быстрее, нежели бы возник какой-то монополизм одной технологии, которая могла бы прийти в застой. Я знаю, что есть направления, которые пытаются совместить вычисления обычных суперкомпьютеров и квантовых, «закрывая» тем самым разные области. Для сложных вычислений, допустим, связанных с прогнозами погоды или, скажем, анализом трафика движения и работой с большими данными, успешно используется симбиоз с квантовыми компьютерами именно в той области, в которой они очень хороши, а определенный набор задач поручается «обычным» суперкомпьютерам, которых уже достаточно много, которые обладают большими мощностями. Если, в принципе, представить, что область, которой ты занимаешься, сделает прорыв и позволяет сделать оптический процессор иного масштаба, если одновременно будут найдены те технологии, которые в этих энергетических диапазонах позволят применять аттосекундные импульсы и лазеры для квантовых компьютеров, то, возможно, твоя область даст преимущество и такое ускорение обеим областям, теоретически…

— Возможно, возможно! Пока я не решаюсь еще об этом говорить как о чем-то, что наверняка будет, но это вполне вероятноь.

— Ну смотри, так же, как и Ференц Краус, который большой визионер, многие вещи приходят из теоретических представлений. Не зря же мы с тобой закончили факультет теоретической физики в МИФИ и работаем в нескольких разных областях, но задачи, которые стоят перед нами, тем не менее нас очень сильно сближают. И любое визионерство, любое обсуждение, возможно, принесет какой-то прорыв… или сработает совмещение идей в смежных областях и говорить об этом необходимо!

— Да, я люблю визионеров, хотя сам не очень силен в этом виде спорта. Когда мы следим за прогрессом компании Илона Маска, отправляющего всё новые виды ракет в космос, когда я его слушаю (поскольку космосом интересуюсь), я понимаю, что многое из того, что он говорит, это… не очень вероятно в ближайшие годы. Но тем не менее в целом весь этот интеллектуальный импульс, безусловно, имеет и практические последствия. Мы просто наблюдаем всей планетой каждые несколько месяцев новый прогресс со Starship.

— Да-да, то есть я могу квалифицировать это как технологическое произведение искусства, такой Masterpiece, свидетелями которого мы становимся в реальном времени, также как в 1960-е и 1970-е годы — первая высадка Армстронга на «Аполлоне-11» на Луну и т. д. Это было эпохальное событие, потом было затишье в течение пятидесяти лет, и сейчас мы видим прорыв, который был ранее невозможен. Мы знаем ракету Н1, которая по концепции была близка к тому, что сделал со «Старшипом» Маск, но по технологиям сегодняшнего дня, которые обеспечили безотказность его 33 двигателям, дали возможность одолеть этот барьер. Если бы у Королёва на Н1 были бы похожие двигатели с такой отказоустойчивостью, то мы бы, мне кажется, давно бы уже увидели базу на Луне.

— Да, да. Во всяком случае мы бы, наверное, увидели советских космонавтов на Луне. Действительно, это пример, который я привожу часто студентам, что ракета Н1, насколько я понимаю, не полетела, потому что было слишком много двигателей и их не могли синхронизировать. А вот прошло N лет или N десятилетий, и Илон Маск сделал примерно то же самое. И вот то, что тогда все критиковали, говорили, что не получится, получилось! И поэтому то, о чем мы сейчас говорим, тоже может через несколько десятилетий стать гораздо проще, чем сейчас кажется таким скептикам, как я…

Термояд

— Мы находимся в разных областях: я зашел со стороны энергетики и вычислительных мощностей, а твоя сторона — это технология, которая позволит это ускорить. Давай затронем третий вопрос, ты его в начале нашей беседы поднимал. Если в обозримом будущем мы не сможем сделать качественно иной процессор, скажем, оптический, либо интегрировать лазерные технологии сверхкоротких импульсов в квантовый компьютер, то, может быть, сможем что-то сделать с энергией? То есть не увеличим пока скорость вычислений, а просто увеличим энергию, которая, в свою очередь, позволит уже существующими способами увеличить мощности, предоставляемые для того же искусственного интеллекта и для прогресса. Я говорю конкретно о новом источнике энергии, проекте ИТЭР во французском Кадараше и о термоядерный синтез, по поводу которого шутят, что его появления всегда ждут спустя тридцать лет. Так было и тридцать лет назад, и так было и пятьдесят лет назад.

— Эта мировая «константа», по-видимому…

— Надеемся, что в этом смысле она не является такой константой, как постоянная тонкой структуры… Мало того, в этом году, по-моему, был достигнут важный перелом: обеспечен выход энергии больше, нежели затрачено. Мы оставляем за сценой энергию накачки лазеров, которая на самом деле на 2–3 порядка больше, но факт в том, что короткий импульс, который приняла мишень с дейтрием и тритием и благодаря которому зажглась реакция слияния, позволил получить энергии больше, чем было подано именно в виде света. И там, по-моему, было порядка полутора-двух Q, это такое значение, которое говорит об эффективности термоядерной реакции. Там ведь основная проблема именно в том, что импульс должен быть очень коротким и очень мощным, чтобы эта мишень испарилась мгновенно и этот процесс был бы контролируемым. Если импульс длинный, то нужного эффекта не будет. Напрашивается вопрос: можем ли мы теоретически использовать для этого аттосекундные лазеры — либо сами по себе, либо в качестве «задвижки», которая отсекает более мощные импульсы? Можем ли мы говорить о термояде именно такого принципа действия? Не токамак, а именно лазерный термояд?

— Напрямую нет, потому что, хоть речь и идет о коротких импульсах, слово «короткий» для разных отраслей физики может означать совершенно разное. И так оно и есть на самом деле в данном случае, потому что там короткий импульс — это наносекундный импульс, он безумно длинный по сравнению с тем, о чем мы говорим, это длиннее на 6 порядков. И там огромная энергия. Импульс, который сжимает термоядерную мишень, — это мегаджоули. А те лазерные энергии, с которыми мы работаем в аттосекундной физике, — это миллиджоули. В этом смысле это совершенно разные истории. Часто во всяких популярных и полупопулярных лекциях и обзорах рисуют сравнительные картинки — какие у нас есть лазерные системы. По одной оси — энергия, по другой — длительность импульса. Так вот они просто в разных углах этого рисунка находятся.

— Разные весовые категории.

— Да, да, да. Другой вопрос, что очень короткие слабые импульсы — это хорошая вещь для диагностики чего угодно.

— То есть измерительные приборы?

— Да, в том числе и по плазме. Здесь есть тоже огромное поле, практически еще не освоенное, потому что субфемтосекундная физика пока что работает с атомами и молекулами, немножко с конденсированными телами, с конденсированным состоянием, с кристаллами и совсем мало — с плазмой. Вот она сейчас туда и движется. И когда она туда зайдет в полной мере, то это будут новые возможности диагностики плазмы. Ведь поскольку там происходят всякие ужасы, у нас до сих пор и нет термоядерного синтеза.

— Почему нет устойчивого механизма удержания плазмы?

— Да, почему это мировая «константа»? Потому что по мере того, как научаются вкачивать всё большую и большую энергию в плазму — что в токамаке, что в лазерной термоядерной установке типа NIF, или вот у нас тоже строятся такие. По мере того, как туда вкачивают всё большую энергию, появляются всё новые неустойчивости, очень сложное движение плазмы, которое нужно контролировать. Чем лучше вы его умеете диагностировать, тем лучше научитесь контролировать рано или поздно. Поэтому это, конечно, не метод вкачки энергии — потому что она ничтожна в этих масштабах, — но это еще один инструмент диагностики, который, безусловно, будет востребован.

— Интересно. Я правильно понимаю, что здесь ты как раз «развернул стол» на 180 градусов в том плане, что эти технологии могут быть полезны именно как диагностические инструменты в реальном времени, именно для системы термоядерных реакторов типа токамак? Поскольку этот инструмент позволит сразу получать обратную связь с тем, что происходит с плазмой, и менять магнитные поля и другие параметры в реальном времени, что даст возможность стабилизировать и удерживать плазму.

— Да, мы тут уже фантазируем, но, может быть, вообще даже не обязательно вести речь о токамаках и термояде. Существует же огромный спектр плазменных задач. Например, так называемая лабораторная астрофизика — моделирования астрофизических явлений в плазме. Потому что есть определенное масштабирование, когда вы можете промоделировать, как там разлетаются остатки взрыва сверхновой звезды или как ведут себя астрофизические джеты, или как там возникают сверхсильные магнитные поля в космосе, переложив это на гораздо более мелкие масштабы в плазменной установке. Но это тоже всё нуждается в диагностике. Чем короче субфемтосекундные импульсы, тем чаще вы можете их повторять, тем более детальную диагностику можете получить. Это просто штангенциркуль с хорошим разрешением, и вы его можете прикладывать туда, куда хотите.

— Так, смотри, я внесу сумбур немножко в вопросы, поскольку родился сейчас вопрос касательно Большого адронного коллайдера и его аналогов. Есть ли там потенциал для применения аттосекундных лазеров? Я понимаю, что вопрос этот мой, скажем так, экспромт, но, возможно, это тема для важного будущего разговора, ведь то же открытие бозона Хиггса — это нобелевский результат. Это все-таки достижение научной группы, которая работала на БАКе в ЦЕРНе, в том числе и наших соотечественников. Или нейтрино, которые с такими ухищрениями регистрируются… Есть ли там применение ультракоротким импульсам?

— Думаю, что нет — вот такой скучный ответ. Я, конечно, запросто могу оказаться не правым, но вот так вот напрямую я этого не вижу. Ну, потому что там совершенно другие энергетические масштабы и там гораздо меньшие на самом деле времена. Ведь на Большом адронном коллайдере изучают столкновения тяжелых частиц, гораздо более тяжелых, чем обсуждавшиеся.

И это еще, например, коллайдер NICA, который у нас Дубне, можно сказать, уже построен. Столкновения этих элементарных частиц, или микрочастиц (скажем, ядра — это не элементарные частицы, но микрочастицы сверхвысоких энергий) проходят на существенно меньших временах, чем аттосекунды. Для той физики аттосекунды — это огромное время, потому что там зептосекунды (10^–21 с) или еще меньше. И это на самом деле другая область параметров, к которой оптика, как мне кажется, пока не прикручивается, не вижу я этого. Но из того, что я не вижу, не следует, что этого никогда не произойдет.

Давай пофантазируем немного. Вот другая область, которая связана с оптикой. Да, мы научились делать аттосекундные импульсы, но как получить еще в тысячу раз более короткие? Тогда бы их длительность оказалась сопоставима с тем, что происходит на тех временных масштабах, которые характерны для ядерных процессов. Тогда и это можно будет оптикой тоже изучать. А как всё это укоротить еще в тысячу раз? Напрямую не получится, поскольку энергетика просто не позволяет. Когда вы эти атомарные или молекулярные мишени подвергаете воздействию оптических лазеров, там не возникает таких энергетических масштабов, чтобы возник импульс столь короткой длительности. Но если этот аттосекундный импульс отразить от зеркала, движущегося с околосветовой скоростью ему навстречу, то из-за эффекта Доплера он может сжаться — хотите, в десять раз, хотите — в тысячу. Но это уже вопрос того, насколько быстро вы «бежите» с этим зеркалом навстречу импульсу. Ясно, что бежать нужно со скоростью, которая отличается от скорости света на ничтожные доли процента, и таким зеркалом может быть только плазменное зеркало. Оно такое есть, в принципе. С этим очень сложно работать, но ничего невозможного здесь нет. Опять же, лазерами мы ускоряем какие-то плазменные «блины», которые делают из фольги, из какой-то там пленки, которая облучается лазерным импульсом. Она превращается в плазму, ускоряется, и у вас получается такой плазменный «блин», который движется практически со скоростью света. И если вы «в лоб» от него отражаете этот аттосекундный импульс, он может стать зептосекундным. Это всё очень сложно. Это пока не реализовано, но ничего невозможного здесь нет. И вот тогда уже будет это движение в сторону ядерной физики, пусть не той, которая на Большом адронном коллайдере или на коллайдере NICA, будет ядерная фотоника.

— Удивительно. Я для себя отметил пару тем, которые интересно было бы, может быть, в будущем поднять. Хотел бы напоследок предложить еще присоединиться Максиму Борисову с вопросом. Максим научный журналист, астроном и много лет радует нас потрясающими научными статьями. Собственно, он и явился таким «катализатором» нашего интервью, с его легкой руки было предложено нам это сделать.

Максим Борисов: У меня на самом деле просто такая короткая, скорее эмоциональная реплика по поводу всего этого разговора. Значимость тех вопросов, которые мы сегодня обсуждали, можно, конечно, изменять и в Нобелевских премиях (предыдущая за аттосекундные импульсы, ну и из предыдущих можно набрать, и что-то родственное — оптический пинцет и др.). Наверняка и будущие не за горами. Но я предлагаю просто на цифры посмотреть и восхититься. Секунда — это миллиард миллиардов аттосекунд, правильно? И со времен Большого взрыва время всей нашей Вселенной исчисляется половиной миллиарда миллиардов секунд. То есть получается, что в одной секунде содержится порядка столько же аттосекунд, cколько секунд прошло со времен Большого взрыва, то есть это целый мир внутри атома!

Сергей Попруженко: Да, это почти восемнадцать порядков.

Максим Борисов: Да, там можно как бы уточнять, а тут мы еще заговорили о том, что еще на три порядка нужно увеличить для того, чтобы проникнуть уже в недра ядерных процессов! Когда-то стихи были у Валерия Брюсова, казавшиеся наивными:

Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там — всё, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Мы, конечно, понимаем, что такие элементарные частицы неделимы, но тем не менее открывается, что в каждой секунде, так сказать, целая Вселенная, что для любого человека просто непостижимо… И может служить поводом для бесконечного восхищения даже для тех, кто не сильно знаком с физикой, нечасто с ней сталкивается. Спасибо за беседу!

Дмитрий Лобачев: Я со своей стороны хочу поблагодарить Сергея за открытость к разговору, поскольку и открытие, и новые инновации делаются, конечно, единичными людьми, визионерами, и это профессионалы в своих областях. На самом деле это та сила, которая движет учеными и нами. Чем старше мы становимся, тем важнее попробовать нащупать еще какой-то фронтир, какую-то новую грань.

Сергей Попруженко: Да, грань, за которую хочется взглянуть!

Дмитрий Лобачев: Я благодарю Сергея за прекрасную и крайне содержательную беседу. Мне кажется, что она вызовет у слушателей и читателей много вопросов, и в этом самое большое значение нашей встречи — новая информация порождает, как лавину, еще больше вопросов! Я надеюсь, что мы встретимся еще.

Сергей Попруженко: Я надеюсь на это, спасибо Дмитрию, спасибо Максиму за приглашение!

¹ Видеоверсию интервью см. на наших каналах
youtube.com/@TroitskyVariant
rutube.ru/channel/36379070/
vk.com/video/@trvscience

² navigator4d.com

³ home.mephi.ru/ru/users/1631/public