Този българин може да е следващият носител на Нобел за физика

Неговото откритие разреши 100-годишен дебат между Бор, Шрьодингер и Айнщайн – главните архитекти на квантовата физика. То има потенциал да промени основното ни разбиране за квантовата реалност, да провокира бъдещи изследвания и да повлияе на представата ни за природата. Благодарение на пробива му бъдещите квантови компютри ще могат да решават задачи, които класическите компютри не могат, дори и да им се дадат милиони години. MIT го нарече „иноватор на бъдещето“, сп. Discover избра разработката му сред 50-те топ научни открития на годината за 2019, а британско издание определи пробива му като „научно земетресение“. Той е само на 30 години, но има зад гърба си завидна кариера с много награди и значителен брой научни публикации. Той е българин и се казва Златко Минев. Запомнете името му, защото тепърва ще чуваме за него!
Златко Минев учи в София до шести клас, след което заминава за Сан Франциско, САЩ, където майка му – виден учен, е поканена да работи. Завършва престижни американски университети. Той е бакалавър по физика от Калифорнийския университет в Бъркли, бил е асистент в Станфорд, а след това е продължил образованието си в Йейл, откъдето има докторска степен. В момента Минев работи като изследовател в IBM Quantum.
През 2019 Минев публикува в сп. Nature откритие, което преобръща напълно досегашните разбирания за квантовите скокове. Той доказва, че те не само могат да бъда предвидени, но и контролирани. Именно контролът на квантовите грешки се счита за едно от основните предизвикателства пред масовото навлизане на квантовите компютри, които могат да решават проблеми с несравнимо по-голяма скорост от класическите.

За пътя до великите открития и значението им за човечеството – Economy.bg разговаря със Златко Минев.

Златко, от MIT Ви сравниха с Айнщайн. Какво означава за Вас това признание като българин?
За мен това е особено специално, тъй като именно Айнщайн издигна квантовия скок—центърът на моите изследвания—от просто една идея (предложена от Нийлс Бор) до първото правило в квантовата физика за количествена динамика.
И все пак, Айнщайн по-късно се противопоставя точно на това, което квантовите скокове символизират: неизбежната непредсказуемост в квантовата физика. Прието е, че никой не може да предвиди бъдещето на един атом, който ще „скочи“ от едно от дискретните си енергийни нива на друго – квантовият скок. Но Айнщайн се обяви срещу тази непредсказуемост с едно от най-известните изявления във физиката: „Бог не играе на зарове с Вселената“.
Квантовите скокове олицетворяват не само фундаментална непредсказуемост, но и фундаментална дискретност, т.е. квантизация. Това са два основни стълба на квантовия свят, които го отличават от нашия класически свят, познат ни от ежедневието.
Друг главен архитект на квантовата теория, Шрьодингер, също знаменито се противопостави на характера на квантовите скокове. Той отказва да повярва, че в квантовия свят могат да съществуват такива резки и наистина дискретни физически явления. Шрьодингер дори пише в публикация: „Ако цялото това проклето квантово скачане наистина ще се приеме да остане, ще съжалявам че съм се занимавал с квантовата теория.“
И все пак, квантовите скокове вече се наблюдават рутинно в лабораториите. Досега те изглеждаха дискретни и непредсказуеми, в съгласие с разбирането на Бор, а не на Айнщайн и Шрьодингер. Идеята за квантовите скокове не само е с нас повече от 100 години, но те станаха основен елемент на модерните квантови технологии.
Но резултатите от моята дисертация променят тази картина. Публикувани в статия в научното списание Nature „Да хванеш и обърнеш квантов скок по средата на полета му“ (To catch and reverse a quantum jump mid-flight), тези резултати преобръщат традиционното виждане за квантовите скокове. Квантовият скок не е рязък, дискретен, мигновен и напълно непредсказуем. Точно обратното, скокът има плавен, непрекъснат полет от едно ниво до друго, и дори степен на предсказуемост. Това дава досега-недостижимата способност да контролираме скока преди дори да се случи.

Златко Минев в централата на сп. Nature в Лондон

Какво е значението на Вашето откритие за обществото?
Nature обобщава научното значение на резултатите от дисертацията ми по следния начин „Експериментът преобръща виждането на Бор за квантовите скокове, демонстрирайки, че те притежават степен на предсказуемост и когато са завършени, са непрекъснати, съгласувани и дори детерминистични.”
Експериментът, който предложих и проведох в Йейлския университет, показва, че вече можем да наблюдаваме с висока разрешителна способност - в детайли - динамиката на скока по начин, който досега е бил невъзможен.
Показах, че скокът от ниско до възбудено енергийно състояние на атом може да се проследи. Той всъщност изпълнява „полет.“ Този полет е непрекъснат, плавен и дори предсказуем.
Да дам аналогия – квантовият скок е като изригването на вулкан. Напълно непредсказуем в дългосрочен план. Но с правилно наблюдение и проследяване можем със сигурност да открием предупреждение за предстоящо бедствие и с действията си да го предотвратим, преди да е настъпило.
Докато квантовите скокове изглеждат непредсказуеми и дискретни (както Бор смята) в дългосрочен план, те в действителност са непрекъснати (както предполага Шрьодингер) и аз показах, че те дори могат да притежават и степен на предсказуемост (в духа на Айнщайн) в краткосрочен план. На пръв поглед техните гледни точки са изцяло противоположни; но моят експеримент доказва че те съществуват съвместно и се допълват.
Това разрешава 100-годишен разгорещен дебат между Бор, Шрьодингер и Айнщайн – главните архитекти на квантовата физика. Резултатите ми доведоха до изненадващото заключение: И тримата едновременно грешат и са прави. Заключение в типичния стил на квантовия свят.
Предсказването на скоковете може да промени основното ни разбиране за квантовата реалност, да формира бъдещите изследвания и да повлияе на представата ни за природата.

Как Вашето откритие може да допринесе за масовото навлизане на квантовите компютри?
За да достигна до откритието, трябваше да разработя нова технология, която доведе до най-чувствителните квантови измервания. Тези измервания също така осигуряват най-висока разрешителна времева способност досега. Това е важно за осъществяване на обратна връзка и проправи път към значително подобрена технология за квантови сензори. На тази основа сега можем да предвидим почти напълно квантов скок, преди дори да се е случил. Така отваряме вратата за коренно нов напредък за коригиране на грешките, които „объркват“ квантовите компютри. Квантовите грешки са вероятно най-голямото препятствие пред практическата употреба на квантовите компютри. Тези компютри са много деликатни. Основните грешки са видове квантови скокове, които досега не можем да контролираме. Те се случват неизбежно, случайно, и непредвидимо. Тези грешки бързо повреждат деликатното квантово състояние на квантов бит (кюбит или qubit) – основният градивен елемент на квантовия компютър.
Ако можем да предвидим появата на тези грешка (квантови скокове), преди те да се случат и разпространят, бихме могли да ги прекратим. Бихме могли да ги проследим, „хванем“ и обърнем, преди да имат пагубно въздействие. В моя експеримент постигнах точно такъв контрол на скоковете в един кюбит.

Изследовател сте в IBM Quantum. В началото на 2019 IBM представи първия квантов компютър за бизнеса. В кои индустрии виждате най-големи възможности за приложение?
Да дам малко предистория. Първото в историята квантово изчислително устройство, което е било достъпно извън лаборатория за хората по целия свят, се появи през 2016. Този първи петкубитов чип и онлайн квантов опит бяха разработени от IBM. Само година по-късно, през 2017, IBM предложи готови за търговска употреба квантови компютри през „Облака“. Мрежата от потребители на тези квантови устройства нараства оттогава. Сега се нарича IBM Q Network. Тя включва повече от 100 организации, Fortune 500 компании, академични институции, изследователски лаборатории и стартъпи от цял свят.
Този месец обявихме разширяването на IBM Quantum Computation Center с 20 системи, достъпни чрез „облака“ за нашите потребители, включително осем с Quantum Volume 32 и 53-кубитна система – най-голямата налична търговска мрежа.
Организациите на IBM Q Network си сътрудничат с нас – както и една с друга, в случаи на употреба, важни за съответните индустрии. Например Daimler работи с нас по батерии, използвани в електрическите автомобили. С JPMorgan заедно тестваме алгоритми и приложения, които биха могли да оптимизират финансови портфейли. Миналата година IBM и една от водещите европейски организации за приложни изследвания, Fraunhofer-Gesellschaft, обявиха споразумение за партньорство в областта на квантовите изследвания в Германия. Сътрудничеството цели създаването на нова общност за индустриални и приложни стратегии в областта на квантовите изчисления. Първият европейски IBM Q System One ще бъде разположен в сграда на IBM в Германия. Целта на всички тези изследвания е да се разработят приложения с квантово предимство за наука и бизнес.

IBM Q System One - първият квантов компютър за бизнеса

Кои са най-големите предизвикателства пред масовото навлизане на квантовите компютри в момента?
Смятам, че основното техническо предизвикателство е свързано с квантовите грешки. В по-широк план мисля, че обучението на бъдещото поколение квантови физици, разработчици и информатици е ключова съставка за успеха на квантовите компютри. Аз лично работя много в тази посока. В Йейл стартирах Open Labs – национална организация за разпространение на науката. В IBM организирам и съм домакин на отворена, публична серия от квантови семинари на живо в YouTube. Това лято преподавам и в глобалното лятно училище Qiskit (Qiskit Global Summer School). Това двуседмично лятно училище е безплатно и отворено за всеки, който иска да го посети. Това е първата дигитална, глобална лятна школа за квантови изчисления и най-голямата, за която съм чувал. Има над 5000 участници.

През 2012 Златко Минев основава Open Labs – организация за разпространение на науката

Според някои експерти квантовите компютри ще направят излишни класическите. Имат ли основания тези твърдения?
По-скоро мисля, че квантовите компютри допълват класическите, докато едновременно революционизират изчисленията. Бъдещ квантов компютър ще може да решава задачи, които класическите компютри не могат да решат, дори и да им се дадат милион години. Такива задачи наричаме неразрешими за класическите компютри. Например факторизацията в криптографията или пълната симулация на атоми в квантовата химия за създаването на нови материали и др.

Контролиран ли беше Вашият личен „квантов скок“ по пътя Ви от Berkeley, Stanford, Yale и IBM Research до тези изключителни открития?
Не. Историята за произхода на моята дисертация е показателна в това отношение, и любопитна.
Всичко започна в Шотландия. Като аспирант реших да посетя лятно училище там. Известният теоретичен физик Хауърд Кармайкъл представи мисловен експеримент, който на теория би могъл да тества някои от идеите за същността на квантовите скокове. Но лекцията завърши с тъжния извод, че всичко това е много хубаво, но е просто теория и не знаем и няма да можем да знаем какво наистина се случва, тъй като тестването на този въпрос продължава да остава далеч извън обсега на експерименталната физика в обозримо бъдеще.
Лекцията ме развълнува и вдъхнови, защото, базирано на мои скорошни изследвания, реших, че може би има начин да създам експеримент да тествам този „невъзможен“ въпрос. Да разбера какво наистина се случва. Не можах да спя. Будувах цяла нощ, развивайки идеите си. След лятното училище пристигнах в София при баба ми и дядо ми. Прекарах десет дни в интензивни изчисления, компютърни симулации, и т.н. Колкото и да беше невероятно, всички резултати подкрепяха моите идеи за възможността на реализиране.
Когато се върнах в Йейлския университет, развълнувано представих идеите си. Те бяха отхвърлени, тъй като това било не само много трудно, но невъзможно. Все пак, през следващите 6 месеца успях да убедя колегите си, че идеята може да работи и трябва да опитаме. Разбира се, днес много се радвам, че експериментът беше напълно успешен и ето сега можем да го обсъждаме.
Спомням си първия път, когато представих идеите си пред нашата лабораторна група. Един от моите много добри колеги се изправи, докато говорех, застана в центъра на залата и започна да вика: „Ако това е вярно, значи квантовата физика е счупена!!!“ Когато приключи с размахването на показалеца си към мен, разбрах, че или катастрофално греша, или съм на пътя на нещо изключително важно.

Казвате, че обичате да се захващате и да решавате проблеми, които са изглеждали нерешими. Това ли Ви мотивира да вървите напред – желанието да първооткривателствате?
Не, първооткривателството е по-скоро страничен продукт. Привлича ме да разкрия дълбокия характер на света, в който живеем, за да мога да създам неща, които могат да помогнат на общността. Затова обичам да се фокусирам върху проблеми, смятани за нерешими. Работата по такива проекти е предизвикателна и крие огромен отключващ потенциал. Дава възможност за достигане до дълбоко ново познание, чрез което да можем да решим невъзможните проблеми. Дядо ми казваше: „Няма неразрешими проблеми, има само пътеки, по които те не могат да бъдат решени.“

Разкажете малко повече за Вас – в България ли сте роден, как стигнахте до САЩ, идвате ли си често у нас?
Роден съм в София, където учих до началото на 6-ти клас. Извън училище посещавах допълнителни часове по математика в СМГ – беше много забавно. Дойдох в Калифорния, САЩ, преди около 20 години. Майка ми е учен, който е посветен на изучаването на човешкия мозък. Тя бе поканена в Сан Франциско.
При започването на училище в Калифорния държах тест и ме класираха вместо в 6-ти директно в 7-ми клас – така прескочих една година. Когато се появих на първия учебен ден, децата в училище бяха малко объркани, защото вече бях много висок. Първоначално помислиха, че аз съм по голям, но всъщност бях по-малък от тях. Продължих с науката в тази нова среда. Следващата година спечелих първо място в националния конкурс на HP и Scholastic Create a Calculator. През следващите няколко години спечелих първо място на Научен форум в Сан Франциско, сребърен медал на Научния форум на щата Калифорния и др.
Още в гимназията бях приет в летен колеж на Станфордския университет, където избрах моята професия – физиката, като най-фундаменталната от всички науки.

Златко Минев със сребърен медал на Научния форум на щата Калифорния

Влязох в специалност „Физика“ в университета UC Berkeley, в района на залива на Сан Франциско. Именно тук се заплених от уникалната синергия между компютърната наука и квантовата физика – моите две големи страсти. През лятото започнах работа в лаборатория за квантови изчисления. Прекарах по-голямата част от лятото в и около лабораторията. Квантовата физика и аз сме влюбени оттогава.

Златко Минев получава докторска степен от Университета „Йейл“

За докторската си степен избрах Университета „Йейл“. Той е може би родно място на свръхпроводимите квантови изчисления и там се намират някои от водещите лаборатории в моята област. Извън лабораторията създадох организацията Open Labs. Бях и най-дългогодишният сенатор в Yale Gradate & Professional Student Senate. Бях удостоен с престижната награда на Йейл „Yale-Jefferson“ за обществени заслуги. Бях избран в Академията на изкуствата и науките в Кънектикът, третата най-стара научна институция в САЩ и т.н.
След дисертацията ми за квантовия скок се присъединих към IBM Quantum. Тук продължавам по този път, създавайки нови пътища за пълна реализация на квантовите изчисления – научни изследвания, които могат да помогнат за развитието на тази нова индустрия. В същото време технологията, която разработваме, предоставя нови начини за изследване на квантовия свят на по-дълбоко ниво. В IBM Quantum в допълнение към основните изследвания, които правя, и ръководенето на по-мащабни проекти, продължавам да водя лекции, развивам дейност за разпространяване на науката, водя академични семинари и работя за изграждане на квантовата общност.
Откакто заминах в САЩ, се местя на всеки няколко години, но в България се връщам всяка година.

Златко Минев с престижната награда на Йейл „Yale-Jefferson“ за обществени заслуги

Познавате ли научните и технологични среди у нас?
Квантовата общност е географски разпределена по цялата планета. Статиите, които чета, и хората, с които съм свързан, са от всички части на света.
В тази връзка бих искал да поканя млади учени и програмисти от България, които се интересуват от квантовите изчисления, да се включат активно в общността онлайн. Глобалното лятно училище Qiskit (Qiskit Global Summer School), за което споменах по-рано, където ще изнасям лекции за квантовите компютри, е със свободен достъп онлайн. Лекциите ще останат онлайн, за да могат да се гледат и обсъждат.
Като продължение на лекциите, също допринесох за създаването на отворен код (open-source) Qiskit учебник по квантови изчисления (Qiskit Textbook) в IBM. Той предоставя възможности за много практически експерименти, които хората могат да правят на истински квантови чипове от домовете си.

Златко Минев е най-дългогодишният сенатор в Yale Gradate & Professional Student Senate

Повечето млади хора у нас смятат науката за скучна. Как тя може да се направи привлекателна за тях?
Това се променя. Науката и технологиите вече не са далечни и дистанцирани неща. Вече може лесно да се включите в младежка научна общност, дори от дома си. Можете да бъдете част от бързо променящия се свят на науката.
Нека да дам два примера.
Първо, квантовите изчисления. Свръхпроводимо устройство за квантови изчисления струва милиони. Въпреки това можете да отидете веднага и да използвате такова устройство директно от дома си – все едно, че седите в лаборатория, и то безплатно. Знам, че в IBM Quantum тези устройства вече се използват от над 250 000 регистрирани потребители.
Важно е, че всеки млад студент може да се присъедини към много динамичната растяща младежка общност. Общността осигурява достъп до безплатно образование, кариерни пътища и много социални събития, като хакатони от Qiskit и други предизвикателства. Можете да отидете на ски с всички тези други млади хора, с които споделяте общи интереси, или да помогнете за организирането на среща на местно ниво.
Има много такива забавни, социални, образователни дейности, които по своята същност изграждат професионални умения, отварят кариерни възможности и свързват начинаещи с професионалисти. Тези възможности могат да помогнат да се покаже колко динамичен и вълнуващ може да бъде животът в науката и в частност в квантовата наука.
Второ, мога да споделя моя опит с Организация „Отворени лаборатории“ (Open Labs), която основах през 2012 и продължавам да председателствам и до днес. Open Labs има за цел да направи научните образователни и кариерни пътища отворени и достъпни за ученици и семейства в неравностойно положение, като покаже на учениците какво е да „стъпят в обувките“ на млад учен. Open Labs помага да покажем на учениците защо науката е готина, защо има значение, как ще промени света на утрешния ден. Но по-важното е как тя може да бъде добра кариера и житейска посока за тях.
Започнахме с малки събития и скоро броят на посетителите нарасна толкова, че трябваше да започнем да съставяме списъци с ученици и цели семейства, чакащи за записване, с което да се гарантира включването им в следващите срещи и събития на Open Labs. Мисля, че това е положително доказателство за успеха на усилията на младите студенти и учени от Open Labs, които като доброволци предават своята страст към наука на широката общественост. Open Labs се разрасна и разпространи от Йейл до университета в Пенсилвания, Принстън, Колумбия в Ню Йорк, Харвард и достигна до над 5000 деца и родители в Североизточната част на САЩ.

Интервю: Детелина Калфова