Чи слухали ви коли-небудь лекцію з квантової фізики під звуки скрипки? Я побувала на такій. Це було на науковому лекторії «Небуденні розмови про науку». Як людина, котра зі школи не дружила з фізикою й офіційно мала ярлик «гуманітарій», я сумнівалась у тому, що зможу щось зрозуміти про квантову теорію, та ще й із вуст науковиці, яка займається фундаментальною наукою. Мої стереотипи почали розлітатися на друзки вже з перших хвилин, коли на сцену вийшла тендітна дівчина у вечірній сукні зі скрипкою в руках. Її розповідь про таємничий і заплутаний квантовий світ заворожувала. Це була Христина Гнатенко — наймолодша в нашій країні докторка наук і професорка. Свою докторську дисертацію вона захистила у 28 років, на її рахунку — 120 наукових публікацій.
Я слухала її лекцію про загадковий квантовий світ, що плавно перемішувалася з музикою, й навіть не помітила, як вона промайнула. Подумала, що якби в школі мені хтось так розповідав про фізику, я б її точно полюбила. Як з’ясувалося, музичні інструменти пані Христина зберігає навіть у своєму робочому кабінеті на кафедрі теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука Львівського національного університету імені Івана Франка. Тут є не лише скрипка, а й фортепіано та гітара. Дівчина навчалася в консерваторії, і музика звучить навіть на її парах для студентів. А лекції та спецкурси, які викладає пані Христина, одразу впадають в око в розкладі й на афішах: «Про квантову фізику мовою алегорії», «Природа музики: від класичної до квантової».
Крім роботи в університеті, пані Христина веде заняття в літній науковій школі для дітей, є віцепрезиденткою Львівської обласної Малої академії наук, головою секції з ядерної фізики та астрономії експертної ради МОН.
Попри відносно невеликий стаж у науці вона має вже декілька відзнак і нагород: премію L’Oréal-UNESCO «Для жінок у науці», перемогу в конкурсі Talents for Ukraine від KSE Foundation. Пані Христина також є лауреаткою державних премій президента та Верховної Ради для молодих учених.
І я не могла втриматися від спокуси розпитати її про таємничий квантовий світ, музику та фізику, про те, де народжуються майбутні наукові світила.
— Пані Христино, чому саме фізика?
— Я навчалася в економічному ліцеї й любила багато предметів: економіку, правознавство. Але фізико-математичні науки приваблювали мене найбільше, тому що за їх допомогою можна описати світ, що нас оточує. Особливо подобалася фізика, адже вона дає свободу думок, пошуків. Я йшла до університету, щоби стати науковицею. Мені важливо, що я, як і будь-який науковець, відчуваю себе частинкою світової науки, людиною, яка творить те, що принесе в майбутньому практичні результати для суспільства. Я люблю науку, а наука любить мене.
— Як ви захопилися квантовою фізикою?
— Це було на третьому та четвертому курсах університету, коли ми вивчали квантову механіку. Це відносно нова теорія, передній край науки, й тут багато нерозвіданого. Але в мене ще була музика, яку я обожнювала. Тому одночасно навчалася й на оркестровому факультеті Львівської національної музичної академії імені Миколи Лисенка, й на фізичному факультеті університету. Музика для мене — це не лише можливість відпочити від рутини, вона надихає й допомагає в науці. Я навіть свої наукові статті пишу під музику.
— Фізика й лірика — це ж ледь не протилежності: емоції та розум, ноти та формули. Для вас вони схожі?
— З одного боку, вони лежать на різних полюсах, але з іншого — дуже схожі. В обох є і творчість, і конкретність. Так, у фізиці творчість теж важлива — треба шукати нові ідеї й нестандартні розв’язки задач, і тим самим посувати передній край науки вперед.
Наука пояснює музику, зокрема фізика описує процес утворення звуків, гру на музичних інструментах.
Й у фізиці, й у музиці важлива наполегливість, копітка праця, витримка (в музиці це так звана сценічна витримка, боротьба зі страхами, координація рухів і дій). Музикант — не той, хто лише попадає в ноти, а той, хто відчуває себе та світ. Подібно до того, як відчуває його науковець.
— Ви розповідаєте про науку за допомогою алегорій. Із чим би ви порівняли квантовий світ?
— Квантовий світ настільки фантастичний, незвичайний, що не існує однієї алегорії, яка б описала все, що є в ньому. Тому під кожну властивість квантового світу я шукаю свою алегорію.
Наприклад, візьмімо одне з базових понять квантової фізики — квантову заплутаність. Суть її в тому, що квантові частинки «відчувають» одна одну, навіть якщо між ними величезні відстані. Стани квантових частинок скорельовані, ми не можемо говорити про стан кожної частинки окремо, а лише про стан двох частинок одночасно. І коли змінюється стан однієї частинки, моментально зміна стану відбувається й для іншої. Це явище я порівнюю зі зв’язком між двома людьми, які близькі настільки, що можуть відчувати одне одного навіть на відстані. Наприклад, найкращі друзі.
Одне з важливих понять квантової фізики — суперпозиція квантових станів. Квантові частинки можуть перебувати одночасно в різних станах. Із чим це можна порівняти? Наприклад, якби я була квантовою частинкою, я б могла одночасно сидіти з вами на зустрічі, читати лекцію студентам, гуляти Львовом і відвідувати батьків — це була б суперпозиція моїх різних станів: «сиджу з вами на зустрічі», «читаю лекцію студентам» та інших. Супер — бо неймовірна, незвична. Водночас у таких станах я можу перебувати в різних пропорціях: наприклад, була більше з вами, а менше — десь на лекціях чи навпаки.
— Ви сказали, що коли ми намагаємося виміряти щось у квантовому світі, ми руйнуємо стан квантової системи. Чому?
— Коли ми вимірюємо властивості квантової системи, то втручаємось у квантовий світ, взаємодіємо з ним. Цим втручанням ми змінюємо стан квантових частинок. Цікаво, що точно передбачити результат квантового вимірювання неможливо. Можна лише сказати про ймовірність певного результату. Наприклад, якби ми вимірювали висоту кімнати в нашому класичному світі, ми б назвали цифру — скажімо, два метри. А якби ми провели серію однакових експериментів із вимірюванням цієї ж кімнати в квантовому світі, ми б щоразу отримували дуже різні величини — це міг би бути й метр, і п’ять, і три. Особливості квантового вимірювання можна також гарно описати за допомогою коробки з різними цукерками. Коли ми витягаємо по одній цукерці, не заглядаючи в коробку, то не можемо передбачити, яку саме цукерку триматимемо в руках, не можемо достовірно сказати про результат експерименту. Можна говорити лише про його ймовірність, тобто з якою ймовірністю ми витягнемо цукерку певного типу.
— Мені це нагадує «Алісу в країні Див». Поруч із нами є непомітний мікросвіт, який живе своїм життям, і це життя ми не можемо виміряти й пояснити відомими нам законами фізики. Це так само важко збагнути, як нескінченність Всесвіту.
— Ми з вами також складаємося з квантових частинок. Будь-який макроскопічний предмет навколо нас, наприклад, письмовий стіл, також складається з таких частинок. Але чому ж тоді ми не маємо тих надзвичайних можливостей, які є в квантовому світі? Чому ми не можемо бути в різних місцях одночасно чи бути в заплутаному стані? Таке відбувається через те, що квантові частинки, з яких ми складаємося, не ізольовані від впливу навколишнього середовища, вони постійно взаємодіють зі світом.
— Які напрями досліджень розвиваються у квантовій фізиці?
— Те, що найбільше турбує науковців зараз і турбувало вже багато років, — це створення теорії квантової гравітації. Ця теорія має поєднати наші знання з класичної теорії гравітації (тяжіння) та квантової механіки. На жаль, іще не написано рівнянь, які б вдало об’єднали ці дві дуже успішні відомі нам теорії. Але науковці над цим активно працюють. Коли людство зробить це, ми отримаємо нові фундаментальні знання про Всесвіт.
Підказку для пошуку відповідей можуть дати високоточні експерименти. Точність експериментів обмежена, тому складно описати світ у планківських масштабах (йдеться про величини, менші за метр у десять у тридцять п’ятому ступені разів). Для того, щоб розгадати його загадки, фізики-експериментатори працюють разом із фізиками-теоретиками. Теоретики шукають ефекти, зумовлені властивостями світу в малих масштабах, властивостями макроскопічних тіл. Результати таких досліджень є підказками в експериментальних пошуках.
Іще один напрям — програмування на квантових комп'ютерах. Квантові процесори принципово відрізняються від звичних для нас гаджетів, тому що використовують для обчислень властивості квантового світу. Квантові комп’ютери дають змогу обробляти багато даних одночасно й надзвичайно швидко. Щоб здійснити квантові обчислення, потрібно ізолювати систему від зовнішніх впливів, охолодити до наднизьких температур (ідеться про мікрокельвіни). Тому квантові комп’ютери громіздкі та схожі на велику люстру. Їх створюють великі фірми IBM, Intel, Rigetti. Україна наразі не виробляє власних квантових комп’ютерів, бо це коштує сотні мільйонів доларів, до того ж ця технологія потребує значних людських ресурсів. Але це не робить наших фізиків-теоретиків неконкурентоспроможними, адже ми можемо проводити обчислення на квантових процесорах завдяки онлайн-доступу до них, який нам дає, наприклад, компанія Rigetti Computing.
Розв’язання задачі за допомогою квантового програмування — процес дуже особливий. Наприклад, щоб провести операції над числами, ми повинні їх спочатку закодувати у властивостях системи квантових бітів, потім провести обчислення над кубітами. Отримати інформацію про результат обчислень ми можемо тільки втрутившись у системи, провівши квантове вимірювання, результат якого, нагадаю, має ймовірнісний характер.
Зараз дуже розвиваються квантові технології, і я працюю саме в цій царині. В нас на кафедрі теоретичної фізики ЛНУ імені Івана Франка розв’язують задачі з квантових обчислень уже більш як двадцять років. Тут є науковий осередок, де працюють такі видатні вчені, як професор Володимир Ткачук, до того — Іван Вакарчук. Вони створили тут таке середовище, яке надихає на пошуки, наукову школу квантової інформації. Ми з колегами ще студентами чули їхні захопливі розповіді про квантову інформацію та квантові обчислення, квантові комп’ютери. Й тепер уже самі можемо навчати студентів квантового програмування.
Такі наукові осередки при університетах дуже важливі для того, щоб ростити нові покоління науковців. Аби зануритися в нову область науки, отримати нові наукові результати, потрібен час — детально в усьому розібратися, поставити актуальну задачу, розв’язати її. Якщо в науковому осередку дослідження ведуться вже більш як двадцять років, це створює міцний фундамент для цікавих наукових результатів, розроблення найсучасніших навчальних освітніх програм.
— Окрім квантового програмування, ви розповідаєте студентам про квантову криптографію, пов’язану із захистом особистих даних.
— Квантова криптографія — це розділ криптографії, що використовує властивості квантового світу для захисту інформації. Оскільки втручання у квантовий світ залишає слід, бо змінює його стан, ми можемо легко визначити, чи втручався хтось у квантову систему. Квантова криптографія полягає в генеруванні секретного коду з використанням особливостей квантового світу (заплутаність квантових станів, особливості квантового виміру).
— Що таке квантова музика?
— Квантова музика — це музика, створена з використанням квантового комп’ютера. Під час написання такої музики присутня творчість. Ми придумуємо відповідність властивостей квантового світу музичним звукам. Квантову музику ми створюємо зі студентами на парах. Дуже цікавим є процес написання квантового алгоритму, а потім перенесення його на звуки музики. Теорія написання музики за допомогою квантових процесорів активно розвивається. Поряд із теорією в Європі відбуваються концерти квантової музики.
— Окрім науки, ви ще й ведете заняття для школярів, зацікавлених у фізиці. Багато охочих? Бо якщо подивитися на результати вступної кампанії — не так і багато людей вступає на фізику, це непрестижна спеціальність.
— Квантове програмування — перспективний напрям, пов’язаний із сучасними технологіями, зокрема й ІТ. Такі напрями охоче обирають абітурієнти. Щоб зацікавити молодих людей фундаментальною наукою, зокрема фізикою, потрібно докласти більше зусиль. Одна з причин — неконкурентоспроможні зарплати науковців. Вагомі наукові напрацювання дають змогу отримувати гарні українські та міжнародні гранти, стипендії для досліджень, але шлях до передових наукових результатів є дуже тривалим і непростим.
У мене були запрошення від закордонних колег виїхати з України, робити науку за кордоном. Я відмовилася від багатьох дуже гарних можливостей і коли була аспіранткою, і зараз як професорка. Часто кажу студентам: запитайте себе, чого ви хочете, чи вас гріє відчуття того, що ви є представниками України в науковій спільноті, творите науку з афіліацією Україна? Якщо так, це може бути вашою опорою, вашим стрижнем, подібно до того, як є в мене. Але крім патріотизму, емоцій, любові до своєї справи, потрібні умови та ресурси: додаткові стипендії, гранти, лабораторії для розвитку, конкурентоспроможності фундаментальних і прикладних досліджень учених в Україні.