Интервью / Новые методики исследования мозга / Филипп Хайтович

Н. Асадова- 16 часов и 6 минут в Москве. У микрофона Наргиз Асадова и мой постоянный соведущий Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». Привет, Егор.

Е. Быковский- Привет, Наргиз. Здравствуйте, дорогие друзья.

Н. Асадова- И сегодня мы поговорим на очень интересную тему. Это новые методики исследования головного мозга и те открытия, которые нам удалось сделать за последние годы с помощью этих новых методологий. И у нас сегодня в студии замечательный гость - Филипп Хайтович, эволюционный биолог, профессор Шанхайского научно-исследовательского института и руководитель лаборатории в Сколтехе. Здравствуйте, Филипп. Рад вас приветствовать в нашей студии снова.

Ф. Хайтович- Здравствуйте.

Н. Асадова- Давайте тогда сразу перечислим самые важные методики, которые появились за последние годы, которые нам позволяют больше узнать про мозг. Вообще я напомню: мы не первый раз говорим про исследования мозга в наших передачах.

Н. Асадова- Да. И большинство учёных склоняются к мнению, что в момент, когда будет расшифрован мозг и это картирование мозга произойдёт, это будет такое же значимое событие для науки, как когда-то расшифровка генома человека. Так вот, Филипп, просто давайте коротко обозначим, какие новые методологии, чем они отличаются от старых и что нам удалось в настоящий момент узнать.

Е. Быковский- Тайны мозга.

Ф. Хайтович- Тайны мозга. Мозг является очень сложным органом. И поэтому, наверное, одна из самых прорывных методологий - это возможность смотреть на отдельные клетки, расшифровывать геном отдельных клеток и смотреть, как этот геном работает, то есть какие гены активны в отдельных клетках. Почему это важно? Потому что если мы посмотрим на мозг, мы всегда думаем: наверное, там какие-то нейроны, вот клетки мозга, они друг другу сигнализируют и таким образом передают информацию. Но все нейроны на самом деле отличаются друг от друга. И до этого было невозможно понять, а сколько даже типов нейронов существует в мозге человека - 10, 15, 1000. Потому что если мы посмотрим на них просто под микроскопом: ну, есть треугольные, есть круглые. Мы можем посмотреть на какие-то маркеры на поверхности. Но сколько типов - непонятно. То есть одна из больших-

Е. Быковский- На секундочку прерву. А как тогда определяется тип - геометрически, физически, по маркерам?

Ф. Хайтович- В том-то и дело. Если у нас есть только микроскоп, в который мы смотрим на мозг, то что мы можем сказать: о, треугольный нейрон или большой треугольный нейрон и маленький треугольный нейрон. А если у нас есть другие методы- и сейчас мы можем расшифровать геном каждого нейрона и посмотреть, какие гены активированы в каждом нейроне и сказать «вот это такой тип» уже на основании того, из чего этот нейрон сделан на генетическом уровне.

Е. Быковский- То есть типы - это функциональность нейрона или-

Ф. Хайтович- А это тоже нужно выяснять. Потому что что такое функциональность нейрона? Функциональность нейрона - это как он сигналит, то есть какие типы сигналов он передаёт, он же такой радиоприёмник и радиопередатчик одновременно. И если мы сначала скажем: а вот у них активны такие-то, такие-то, такие-то гены, а какая у них активность с точки зрения того, какие сигналы они передают и принимают и с какой частотой. То есть мы можем уже тогда комплексно их сортировать на разные классы, понять, чем же они отличаются и какие у них функции.

Н. Асадова- Итак, что же нам сегодня известно? Сколько же типов у нас нейронов?

Ф. Хайтович- Во-первых, сколько типов нейронов, доподлинно на данный момент ещё неизвестно. Видимо, очень много. Но что интересно, вы скажете: а зачем смотреть на геном? Потому что геном же в принципе не должен отличаться. Какая разница - это нейрон или даже клетка кожи, или клетка печени?

Н. Асадова- Принадлежит конкретно этому человеку.

Ф. Хайтович- Да, ДНК должна быть-

Е. Быковский- Одинакова, но экспрессируется по-разному.

Ф. Хайтович- Не в этом дело. Даже была гипотеза, что та память, которую мы формируем, представьте, вы же помните, что с вами было, когда вам было 6 лет или 7. Но для меня это уже практически 40 лет назад. А я всё равно всё помню, может быть, даже лучше, чем то, что было вчера. Где эта память сохраняется? Была гипотеза, что меняется уже сама ДНК, то есть генетический материал нейронов, чтобы эта долговременная память смогла сохраняться всю жизнь. Но когда посмотрели на геном отдельных нейронов, есть ли там какие-нибудь изменения, то есть есть ли какая-то перестройка, которая позволяет сказать, что действительно что-то произошло, на данный момент ничего такого не нашли. То есть уже эту гипотезу как бы не то чтобы можно отклонить, может быть, просто не нашли, потому что плохо искали. Но, похоже, всё-таки не в геноме наша память, а где-то ещё.

Н. Асадова- Хорошо. Если мы говорим про методики, то есть именно с появлением геномики, с её развитием у нас появилась возможность лучше изучать клетки мозга. А какие ещё методики появились, которые нам позволяют лучше понять, как функционирует мозг? То, что вы со своими ребятами в Шанхайском университете делаете, очищаете мозги крыс, и они становятся прозрачные, чтоб структуру понять.

Ф. Хайтович- Это не только мы делаем. На самом деле эта методика сейчас достаточно широко внедряется. На самом деле делать прозрачные мозги научились уже довольно давно. Но делать прозрачный мозг, для того чтобы его потом покрасить, посмотреть на структуру - это одно. А вам же нужен ещё такой микроскоп, который сможет вот этот прозрачный мозг визуализировать и записать слой за слоем целостную картину. И такие микроскопы появились совсем недавно. То есть буквально несколько лет назад. А потом, после того как вам этот микроскоп это померит, это же громадный объём данных. Вам ещё нужны программы, которые смогут это проанализировать. И таких программ тоже на самом деле не так много. И они с трудом справляются с теми данными, которые сейчас с этих микроскопов сходят, их тоже нужно модифицировать.

Е. Быковский- Я всегда думал, что главная проблема - это не столько программа, сколько железо, потому что его требуется много, и очень производительного для обработки больших данных. Программу можно написать, в конце концов.

Ф. Хайтович- Программы можно написать, но нужно иметь их писать. А железо сейчас, к счастью- Проблемы железа не стоит. То есть на самом деле биология, даже самая современная, производит гораздо меньше данных, чем те же физики со своего коллайдера. Они каждый день производят объём данных, который, наверное, биологи за год не смогут произвести.

Н. Асадова- Давайте поговорим про какие-то открытия, которые удалось сделать последние годы с помощью всех этих новых методов исследования. Одно из таких главных, которое меня поражает - это пластичность мозга. Как она работает. Вы любите приводить пример, поражающий воображение всех, кто обычно слушает - это что есть такие сложные аутоиммунные заболевания у детей, что приходится вырезать одно полушарие мозга у ребёнка, это происходит обычно до 3 лет. Потому что после этого ребёнок уже не может выжить, то есть он умирает. И через год все функции мозга практически восстанавливаются. И даже незаметно, что у ребёнка нет одного полушария. Как это вообще возможно?

Ф. Хайтович- Да. Кажется очень странным. Потому что мы всегда считаем: у нас же очень большой мозг. То есть чем мы отличаемся от других животных, от тех же обезьян? Большим мозгом. На самом деле, видимо, размер - это не главное. То есть наша погоня за размером - это в плане мозга не совсем правда.

Е. Быковский- Тем более, мы можем вспомнить каких-нибудь дельфинов или китов, у которых мозг больше человеческого.

Н. Асадова- А ещё у нас есть же понимание о том, что у нас есть правое полушарие, которое отвечает за одни функции, левое, которое за другие.

Ф. Хайтович- На самом деле в здоровом мозге действительно функции распределены. То есть мы можем сказать: обычно наши зрительные функции - они в затылочной коре, а слуховые функции - в височной горе. На самом деле, в нашем мозге всё уже распределено. Как я обычно говорю: какая-нибудь компания занимает здание, и бухгалтерия, может быть, занимает комнату на первом этаже, а дирекция - на третьем этаже.

Е. Быковский- То есть вот эти функции уже пренатально распределены? Они сразу есть, сразу встроены в определённые регионы мозга?

Ф. Хайтович- Это очень хороший вопрос. Пренатально уже как-то распределение существует. Куда какая функция пойдёт, уже пренатально запрограммировано. Но если вы какой-то участок мозга повредите, то тогда эту функцию берут на себя другие отделы мозга. И не только у детей. Мы же знаем, что после инсульта через некоторое время функции медленно, но возвращаются. Даже если человеку 90 лет, всё равно медленно, но возвращаются. Даже в 90 лет наш мозг не теряет пластичности. И для любого из нас, вы слушаете программу, что-то запоминаете, и мозг на самом деле перестраивается. То есть каждый раз, когда мы формируем наши знания новые - это происходит потому, что в нашем мозге происходят изменения.

Н. Асадова- То есть на самом деле это вопросы реабилитации и методов реабилитации, чтобы мозг побыстрее все эти функции восстановил.

Ф. Хайтович- Если мы разгадаем разницу мозга ребёнка и мозга взрослого человека полностью, то нам будет, конечно, проще реабилитировать даже 90-летних.

Н. Асадова- Вы тоже говорите часто, что мозг - это очень динамическая система и что он всё время видоизменяется от рождения до старости. И расскажите, как это происходит и что сейчас известно.

Ф. Хайтович- Известно на самом деле довольно мало. Потому что, конечно, в основном все работают с мозгом взрослого человека. И между 20 и 60 годами жизни в мозге на самом деле происходит крайне мало. Конечно, мы формируем какие-то новые знания, но с глобальной точки зрения эти изменения минимальны.

Е. Быковский- То есть чисто физически с клетками происходит примерно то же самое, с клетками других регионов тела. Они умирают, другие рождаются и становятся на их место.

Ф. Хайтович- Лучше, чтоб нейроны не умирали, потому что заменить нейроны во взрослом мозге практически невозможно. Потому что каждый нейрон - это член сети. И он уже сформировал свои контакты, и как работает мозг, зависит от того, как эти контакты сформированы. Вы не можете его просто так заменить на новый. Другое дело, что наши воспоминания, наши эмоции, наши действия не зависят от одного конкретного нейрона. Каждый раз это целая сеть нейронов, которые своей диффузной активацией ведёт к тому или другому результату. То есть каждый отдельный член команды не так важен. Но если потеряно очень много членов команды, тогда функция тоже может потеряться.

Е. Быковский- От 20 до 60. А дальше что происходит?

Ф. Хайтович- А дальше начинают накапливаться какие-то загадочные изменения. То есть если мы смотрим на активность генов, экспрессию генов, сколько РНК производится, мы видим изменения. Если мы смотрим на липидный состав мозга, то есть из каких жиров сделаны мембраны клеток. Где-то 52-55 лет - такая переломная точка. До этого ничего не происходит, никаких особых изменений. А потом вдруг начинаются процессы. То же самое с активностью генов: где-то в 55-60 лет мы видим процессы.

Но что интересно, если мы посмотрим на мозг, например, обезьян, мы видим те же самые изменения, но они начинаются не в 50 лет, а в 20. А если мы посмотрим на мозг мышек, то там они начинаются в 1.5-2 года. То есть эти изменения не уникальны для человека, они просто связаны со старением. Но для каждого вида старение в разное время. И почему у человека так природа сделала, что это 55-60-

Е. Быковский- То есть сам механизм примерно ясен, а что его запускает - не очень понятно.

Ф. Хайтович- Если разобраться, если найти механизм, который это запускает, конечно, это было бы ключевым, потому что никому не хочется, чтобы мозг старился, никому не хочется, чтобы активность мозга терялась. Ну ладно, морщины, туда-сюда, но когда мозг начинает хуже работать - это, конечно, уже совсем другое дело.

И в принципе понять, что включает этот механизм и почему включается в этом возрасте - это было бы очень интересно, но пока мы не знаем.

Н. Асадова- Вот ещё такой вопрос. Чем всё-таки человек отличается от животного? Если мы говорим, что дело не в размере. Я имею в виду мозг человека. Если дело не в размере, почему такой резкий скачок происходит от высших приматов к человеку? И человек создал весь этот материальный мир, который мы видим, а обезьяны пользуются палкой, пользуются какими-то подручными методами, для того чтобы достать себе орех или банан. А человек вон сколько всего сделал.

Е. Быковский- Наверное, из структуры мозга как таковой впрямую это не следует.

Ф. Хайтович- Понимаете, опять-таки, как мы смотрим на структуру. Если мы смотрим под микроскопом, как до этого смотрели, под обычным микроскопом, то очень сложно сказать- Мы можем сказать: тут треугольные нейрончики, круглые нейрончики, другие клетки. Но теперь, например, если мы имеем возможность разобраться во всех компонентах, то есть практически прочитать, из чего состоит полностью любая клетка, мы видим гораздо больше отличий. Это, например, наша лаборатория тоже сделала новую работу, когда мы смотрели на активацию генов по определенным слоям коры, и мы видим отличия, которые глазом не видны, потому что в каждой клетке очень много разных генов, 15-20 тысяч генов. Мы же не можем сделать маркер для каждой из них. А у нас есть методики, которые нам позволяют посмотреть на них на все. И потом мы уже знаем: вот из этих двадцати тысяч десять отличаются в мозге человека. И тогда мы уже можем сделать уже маркёры, под микроскопом мы чётко видим: ага, там покрасились клетки в мозге человека, а в мозге шимпанзе, макак или гориллы этого маркёрка нету. А что это означает? Пока не знаем.

Но на самом деле всё зависит от инструментов. И сейчас у нас в руках есть инструменты, которых никогда раньше не было. И всегда люди гадали: а что же там мозг, что же это там такое? А теперь нам не нужно гадать. Мы можем просто всё померить, а потом уже тестировать: что эта разница обуславливает, вот этот маркёр, который есть у человека, какой-то определённый белок в мембране, а почему он важен, то есть почему в человеческом мозге он есть в определённых типах клеток, а в мозге шимпанзе даже, которые наши ближайшие родственники, его нет, не говоря уже о мартышках и других животных.

Н. Асадова- Мы поговорили про возраст с 20 до 60 и что там дальше происходит. Но самый интересный, мне кажется, момент как раз от рождения до этих самых 20 лет. И оно во многом обуславливает отличие человека от тех же самых высших приматов. И то, что вы рассказываете в интервью и на встречах - то, что половое созревание человека, которое тоже связано с гормонами, которые вырабатываются в головном мозге. Человек созревает гораздо позже. И это, с одной стороны, обуславливает его продолжительность жизни, которая больше, чем у высших приматов. А, с другой стороны, что ещё от этого зависит?

Ф. Хайтович- На самом деле с точки зрения полового созревания тут не такая большая разница. У человека половое созревание - 14-16 лет.

Е. Быковский- А у орангутана, скажем, 8.

Ф. Хайтович- Да. То есть разница не громадная. Но очень большая разница именно в созревании мозга. То есть созревание мозга и созревание тела у человека очень сильно- То есть у тех же самых шимпанзе созревание мозга происходит уже где-то в 1-2 года жизни. То есть за 2 года мозг готов. И сформировался, все нейронные цепи сформировались. У макак это вообще происходит в течение месяцев.

Е. Быковский- Наверное, всё-таки не все нейронные цепи.

Ф. Хайтович- Не все. Но мы говорим- когда мы говорим про первый год жизни, нужно понимать, что изменения в мозге огромны. То есть мы смотрим на детей, они растут, первый год они в принципе просто едят и спят, и кажется - ничего особенно не происходит. А на самом деле происходят громадные изменения. Достаточно сказать, что когда ребёнок рождается, его мозг всего 25% от мозга, когда он будет взрослым. То есть 75% роста происходит уже после рождения. Но рост - это не главное. Все эти нейронные цепи, которые формируются первые 7 лет жизни, у нас формируется громадное количество нейронных контактов. Потом большая часть из них убирается. То есть в мозгу 7-летнего гораздо больше контактов между нейронами, у него гораздо более сложные сети нейронов, чем у мозга взрослого человека.

Н. Асадова- Почему так происходит? Почему после 7 лет эти контакты сокращаются?

Ф. Хайтович- Потому что это мешает принимать решения. Нам обычно нужно принимать быстро решения. Поэтому нам нужно выбрать из нескольких стереотипных решений. И уже считается, что мы как бы понимаем к 7 годам или после 7, как это происходит, и то, что не надо - убирается. Потому что если будет слишком много вариантов решений, мы просто растеряемся и будем думать: а что же нам делать, куда нам вкладывать деньги? В недвижимость или в валюту, или просто под матрас класть.

Н. Асадова- Я думаю, что очень многие взрослые люди-

Е. Быковский- До сих пор не избавились от излишних нейронов. А если на секундочку вернуться к вопросу Наргиз насчёт того, чем мозг отличается у человека, я бы хотел вспомнить про феномен Маугли. После определённого возраста, если человека не начать обучать, он будет мыслить, как животное, но при этом ДНК экспрессируется в его мозге человеческим способом. Но при этом мозг не действует, как человеческий. Как это можно объяснить?

Ф. Хайтович- Объяснить очень просто. Я же говорил, что формируются нейронные цепи в первые 7 лет жизни, и это очень важный и очень глобальный процесс. То есть когда мы говорим - у взрослого человека или у взрослой обезьяны практически изменений не происходит. Конечно, происходят изменения. Но по сравнению с тем, что происходит в первые годы жизни, когда практически всё формируется в мозге, все ассоциативные связи, которые отвечают за поведение, как мы реагируем на вещи, какой у нас будет характер - они все формируются именно в это время. И если в это время нет общения с другими людьми, как вы говорите - Маугли, как это может сформироваться? Это всё равно, что если посадить ребёнка в тёмную комнату и не включать свет, как у него может сформироваться система, которая отвечает за зрение и за распознавание каких-то зрительных символов, и так далее? То есть на самом деле в первые годы жизни общение с другими людьми и воспитание детей - это критично. И если вы, например, отдаёте ребёнка няне или бабушке на первые 3-5 лет, думаете - всё равно он ничего не будет помнить- Ну, действительно, дети не помнят. Но на самом деле, хоть они и не помнят в принципе, что происходило в первые годы жизни, что тоже очень интересный феномен, но мозг, их поведение, их личность формируются именно в это время.

Н. Асадова- Не знаю даже, хорошо или плохо - от бабушки.

Е. Быковский- Смотря какая бабушка. В том то и дело. Если это- Хорошо, не будем вдаваться. Тем не менее, всё-таки я никак не могу довыяснить этот вопрос: мозг в первую очередь инструмент, обработанный социальной средой, или возможность мозга заложена изначально?

Ф. Хайтович- Какие-то аспекты- Мы всегда видим, что говорят, насколько поведение зависит от генетики, насколько оно зависит от воспитания. Очень сложно это взвесить. Конечно, когда мы говорим о феномене Маугли - это очень экстремальный пример. Когда ребёнок растёт практически без какого-то взаимодействия с людьми. Естественно, такого обычно не бывает. То есть если дети растут примерно в равных обычных условиях, тогда генетические факторы проявляются. То есть у кого-то родители более вспыльчивые, у кого-то родители более спокойные. Хотя бывают сюрпризы. Родители бывают спокойные, а ребёнок совсем не спокойный, и так далее.

Генетический компонент, конечно, важен. Но насколько он реализуется, очень зависит от воспитания. И не только от воспитания - от того, в каких условиях, в какой среде, каким внешним сигналам ребёнок предоставлен. Потому что как наш мозг может знать, как ему реагировать на определённые стимулы? Например, у насекомых такого нет. У них нет пластичности. У них всё уже заложено. Поэтому они видят свет - они летят на свет. Они чувствуют какой-то запах, феромоны - они летят туда или летят оттуда. Потому что у них очень ограниченный размер их паттернов поведения. А у человека же такого нет. Мы можем вести себя очень по-разному. А почему так? Потому что у нас мозг позволяет это делать именно из-за этой пластичности, из-за того, что в зависимости от того, с чем мы столкнулись во время созревания мозга и уже во взрослой жизни, формирует то, как мы будем реагировать на те или иные стимулы. Но особенно в первые 5-7 лет жизни то, с чем мы сталкиваемся, то, как мы на это реагируем, то, как на это реагируют другие люди, которые нас окружают, что случилось после этого - оно и формирует то, как мы будем потом относиться к тому или иному феномену.

Е. Быковский- И перекраиваем собственные карты нейронных связей, обучаемся.

Н. Асадова- Тут нам пишет Таня из Москвы: «А зачем природе такой сложный и энергозатратный объект, как мозг?». Таня, посмотрите вокруг себя, и увидите, что это конкурентное преимущество перед другими животными.

Ф. Хайтович- Это хороший вопрос на самом деле.

Н. Асадова- У нас уже, к сожалению, нету времени. Я благодарю вас, что вы пришли сегодня в студию. Таня всегда задаёт, кстати, хорошие вопросы. У нас в студии был Филипп Хайтович, эволюционный биолог, профессор Шанхайского НИИ вычислительной биологии и руководитель лаборатории «Сколтеха». Мы обязательно вас пригласим снова и ответим на все вопросы. Сейчас прервёмся на новости и рекламу, а затем вернёмся в эту студию. Никуда не уходите.

НОВОСТИ

Н. Асадова: 16-35 в Москве. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». И мы попросили нашего гостя Филиппа Хайтовича остаться в нашей студии, чтобы ответить на вопрос Тани. И мы ответим на этот вопрос в нашей любимой рубрике «Вопрос-ответ». А пока сейчас мы вам новую тему представим. Итак, Егор, тебе слово.

Е. Быковский- Преданные слушатели, возможно, помнят, это было год назад, мы говорили о том, что коллаборация учёных из МФТИ, МИСИС и Российского квантового центра сделала первый в России кубит, схему, которая обеспечивала измерение параметров этого кубита.

Н. Асадова- Да, мы это широко освещали.

Е. Быковский- Да, это была классная штука. И вот буквально сегодня у нас поступило сообщение, что учёные из МФТИ, из лаборатории искусственных квантовых систем и Центра коллективного пользования добились следующей хорошей вехи - они впервые в России изготовили и протестировали устройство, которое представляет собой двухкубитную систему - схему с управляемой связью, которая является дальнейшим развитием вот этого первого кубита. Это классная новость. И мы немедленно связались с одним из авторов этого достижения Дмитрием Негровым и поговорили.

Н. Асадова- Давайте послушаем это интервью.

Е. Быковский- Здравствуйте, Дмитрий. Как бы вы могли прокомментировать это важное, с нашей точки зрения, сообщение про эту интересную схему из двух кубитов?

Д. Негров- На самом деле это действительно достаточно важный этап с точки зрения пути масштабирования всех квантовых вычислительных систем. Потому что когда у вас есть один кубит, вы в принципе никаких интересных операций на нём выполнить не можете. Для того, чтобы сделать уже что-то интересное, вам нужно несколько кубитов, которые могут друг с другом взаимодействовать. И в настоящий момент мы как раз занимаемся отладкой технологий и измерительных систем, которые позволяют такие многокубитные системы делать и измерять.

Е. Быковский- А насколько многокубитные? Был 1, сейчас 2. Как дальше пойдёт эта прогрессия?

Д. Негров- Сейчас мы работаем над двумя. И я думаю, что некоторое время мы будем ещё этим заниматься, потому что сейчас есть достаточно много паразитных эффектов в этой системе. Их нужно нейтрализовать перед тем, как идти дальше. И, кроме того, у всех квантовых систем есть такой важный параметр, как время когерентности, то есть время, которое они могут сохранять информацию. И вот это время нужно наращивать. Сейчас оно не совсем соответствует тому уровню, который требуется для того, чтобы какие-то сложные практические интересные алгоритмы выполнять.

Е. Быковский- Оно от чего в первую очередь зависит? От условий среды? Квантовые состояния же хрупкие. То есть их разрушает окружающая среда, или что-то другое?

Д. Негров- Да, фактически это окружающая среда. То есть квантовая информация у вас всегда уходит в окружающую среду. И чтобы максимальное время квантовую информацию сохранять, вам нужно сделать систему, которая наиболее слабо взаимодействует с окружающей средой. Но возникает проблема: когда у вас система с окружающей средой не взаимодействует, вы ничего снаружи с ней сделать не можете. То есть она фактически вещь в себе и абсолютно бесполезна. Поэтому это взаимодействие должно быть, кроме того, ещё и контролируемо. То есть вы должны иметь возможность отключать или подключать систему к нужному вам месту.

Е. Быковский- Правильно ли я понимаю, что то, чем вы занимаетесь, в основном это и есть обеспечение сохранности информации от внешней среды?

Д. Негров- Да. Сейчас мы занимаемся фактически постановкой базовых процессов и базовых измерительных процедур, которые позволяют такие системы изготавливать и каким-то образом их характеризовать, более того - делать на них какие-то интересные операции. И в этом смысле многокубитная схема интересна, потому что на них как раз спектр возможных операций для их характеризации гораздо больше. То есть из них можно извлечь гораздо больше интересных данных о поведении отдельных элементов.

Е. Быковский- А давайте здесь поподробнее. Мы переходим к сути того, зачем нужны такие квантовые схемы. Приведите, пожалуйста, какие-нибудь примеры, для чего это потом будет использоваться. Не сейчас. Потому что понятно, что сейчас несколько не хватает мощности. Когда её будет хватать, какова будет вот эта прогрессия и чем будут заниматься такие схемы в дальнейшем?

Д. Негров- Здесь нужно, наверное, упомянуть о том, что в теории вычислений есть такое понятие, как класс сложности задачи. Скажем, у нас, когда мы выполняем какой-то алгоритм, он может выполняться на наборе данных разного размера. Например, мы хотим сложить несколько чисел друг с другом. Если мы складываем два числа, то это может занимать условно 1 сек. Если мы складываем три числа, то это будет занимать 2 сек. Четыре числа - 3 сек. И так далее. Это так называемый линейный алгоритм по размеру задачи. Потому что время масштабируется линейно. Бывают квадратичные алгоритмы, которые масштабируются как 1, 2, 4, 9. Все алгоритмы, которые масштабируются как какая-то степень размера входных данных - это так называемые полиномиальные алгоритмы. Они считаются сейчас выполнимыми на вычислительных устройствах. А есть алгоритмы, которые масштабируются экспоненциально. То есть, например, если у вас есть входные данные с одним элементом, то вы выполняете алгоритм за 1 сек, если у вас есть - то за 2 сек, 3 элемента - 4, 4 элемента - 8. Потом 16, 32, 62 и так далее. И время очень быстро растёт с количеством входных данных. И поэтому, когда в такой задаче много данных, её практически невозможно решить на обычных компьютерах. И часть таких задач принадлежит к особому классу сложности, который может выполняться на квантовом процессоре за полиномиальное время. То есть мы вместо экспоненциального времени получаем полиномиальное, это огромное ускорение.

Есть такая штука, как вычислительная химия, когда мы пытаемся предсказать какие-то характеристики молекул или твёрдых веществ. Например, нам нужно разработать какое-то вещество, которое обладает определёнными параметрами.

Е. Быковский- Да, обсчитывание новых материалов. Это сейчас очень модно.

Д. Негров- Для этого нам нужно понимать, как это вещество будет себя вести. И алгоритмы точного расчёта поведения веществ, к сожалению, экспоненциальны. И квантовые компьютеры их как раз и делают полиномиальными. И это открывает возможность точно предсказывать характеристики веществ. Ещё также есть очень много применений в задачах оптимизации, когда нам нужно найти какое-то оптимальное решение какой-то задачи, в задачах криптографии, когда нам нужно что-то шифровать, передавать какую-то информацию по защищённому каналу. И ещё есть много специфических задач.

Е. Быковский- В общем, это работа с задачами, которые сейчас называются Big Data, большие данные, всё больше и больше.

Д. Негров- Да, Big Data в том числе.

Е. Быковский- Скажите, пожалуйста, Россия сейчас находится в числе догоняющих, но хорошо догоняющих. Где ещё делаются такие схемы, и какие успехи уже случились в мире по этому поводу и какие следующие вехи у нас и у них?

Д. Негров- Сейчас есть достаточное большое количество лабораторий, которые этим занимаются. Для квантовых вычислений возможно много платформ, на которых они выполняются. Мы занимаемся так называемыми сверхпроводящими квантовыми вычислениями, когда ваши элементы - это устройства, которые построены из сверхпроводников и так называемых джозефсоновских переходов. Есть фотонные подходы, которые используют отдельные фотоны. Есть подходы на свободных атомах, которые находятся в магнитных ловушках и вакуумных камерах. Есть подходы к вычислениям с помощью ядерного резонанса. Есть подходы к вычислениям с помощью всяких спиновых состояний атомов. В общем, их много. Сверхпроводящими вычислениями занимаются порядка десятка лабораторий сейчас.

Е. Быковский- Я как раз хотел подвести к тому, что это не столько технология, сколько есть масса всяких технологических подходов к решению примерно одной и той же задачи. Правильно? У вас такой, а у кого-то другой. Ваш подход где-то используется? То есть вы двигаетесь по чьей-то технологии, улучшая её, или это собственная технология МФТИ?

Д. Негров- Сейчас мы фактически двигаемся- Непосредственно сверхпроводящими системами занимаются чуть больше десяти лабораторий в мире. И элементная база у них у всех примерно одинакова. То есть это джозефсоновские переходы, всякие сверхвысокочастотные структуры, которые делаются на чипах. И такой подход удобен тем, что вы фактически используете обычную микроэлектронику, то есть вы берёте пластину и можете на этой пластине сформировать какие-то структуры более-менее стандартными методами - напылением, травлением. Конечно, то, что это сверхпроводящие схемы и то, что они квантовые, накладывают некую специфику, но тем не менее это очень удобно как раз для масштабирования. Так что если вам нужно несколько структур, вы можете несколько структур на чипе сделать рядом и потом их просто, грубо говоря, проводами соединить.

И элементная база здесь у всех более-менее одинакова. Конечно, бывают иногда очень красивые решения у ряда институтов. Но сейчас, поскольку мы занимаемся, как вы заметили, мы в такой догоняющей позиции, мы фактически занимаемся постановкой технологических процессов, которые позволили бы нам получать имеющиеся структуры, но с небольшими изменениями, потому что у нас есть ряд идей, как эти параметры улучшать, и мы сейчас их воплощаем.

Е. Быковский- Понятно. Спасибо, Дмитрий, за то, что согласились с нами поговорить. Я вам желаю успехов и быстрого продвижения к десяти- или даже к стокубитной схеме. Спасибо, до свидания.

Н. Асадова- Это был Дмитрий Негров, заместитель руководителя Центра коллективного пользования МФТИ. И с ним делал интервью Егор Быковский. Егор, а вот Ира из Москвы спрашивает тебя: что такое кубит? Поговорим об основах.

Е. Быковский- Да. Прекрасный вопрос. Потому что мы начали не ab ovo, как говорили римляне, «от яйца», а сразу стали использовать это слово и не объяснили. Давайте, Ира, вкратце, буквально за минуту. Биты можно записать, представьте себе какой-нибудь электрон или ядро. В принципе отдельный электрон или отдельное ядро могут сохранять и перерабатывать информацию. Мы можем представить, что отдельный атом может вести себя как маленький магнит. И тогда, допустим, у нас в зависимости от ориентации этого магнита верх будет плюс, а низ - минус, такой триггер. А кубит, то есть квантовый бит - это как бы квантовая суперпозиция. То есть мы можем записать не только состояние 0 и 1, но и их сочетание или какое-то ещё другое состояние, когда магнитик смотрит как бы чуть вбок.

Пока мы про это говорили, я тут вспомнил замечательную байку Михаила Лукина, такого известного физика из Гарварда. Он рассказывал, что в своё время, когда Никита Сергеевич Хрущёв приехал в Америку, это было такое очень важное событие в мировой истории, у него какой-то репортёр дружелюбно спросил: Никита Сергеевич, объясните буквально в одном слове, как советская экономика работает. Хрущёв сказал: хорошо. Репортёр говорит: может быть, немножечко побольше? Скажите в двух словах. Он отвечает: не хорошо. Это в некотором смысле хорошо иллюстрирует поведение квантовых битов, потому что они могут быть в состоянии и в хорошем, и в нехорошем сразу одновременно. Это очень важный ресурс для физических экспериментов и квантовых технологий.

Н. Асадова- Вот так вот за минуту Егор Быковский объяснил, что такое кубит.

Е. Быковский- Или попробовал хотя бы.

Н. Асадова- Сейчас мы прервёмся на 2 мин рекламы, затем вернёмся в эту студию.

РЕКЛАМА

Н. Асадова- Продолжаем передачу «Наука в фокусе». И сейчас объявляем нашу любимую рубрику «Вопрос-ответ».

+79859704545 - это телефон нашего прямого эфира. Присылайте свои вопросы. А сейчас, как мы обещали, с помощью Филиппа Хайтовича ответим на вопрос Тани, которая спросила: «А зачем природе такой сложный и энергозатратный объект, как мозг?».

Ф. Хайтович- Наш мозг позволяет нам лучше выживать, как уже было сказано. Но надо понимать, что он позволяет нам лучше выживать и бороться за выживание, когда действительно есть опасность. А в современном обществе можно сказать: а действительно ли нам нужен такой большой мозг, чтобы просто сидеть на диване и смотреть сериалы? И действительно он не нужен. Мы видим на примерах животных, которые из диких становятся домашними, живут в комфортных условиях, их мозг может уменьшиться больше, чем на 30%, фактически наполовину может уменьшиться мозг, они прекрасно чувствуют, опять-таки, меньше затрат, больше набирается масса тела, то есть это хорошо и для фермеров, чтобы не тратились ресурсы на мозг. Поэтому в принципе для того, чтобы вести очень простой образ жизни, большой мозг и не нужен.

Н. Асадова- И мы говорили в перерыве, что у человека за последние несколько десятков тысяч лет всё-таки уменьшился мозг.

Е. Быковский- Несколько уменьшилась масса мозга. И говорят, что уменьшились когнитивные возможности. Но это мы как раз проверить не можем. Но вполне возможно, что так оно и есть. Потому что он жил тогда в высококонкурентной среде, а сейчас она заметно снизилась.

Ф. Хайтович- Да, тогда же нам нужно было конкурировать с неандертальцами. Правда, сейчас мы тоже конкурируем друг с другом, и даже ещё и более жёстко, можно сказать. То  есть на самом деле человеческое поведение с тех пор не изменилось.

Н. Асадова- Но это больше внутривидовая конкуренция. Всё-таки мы не боремся с тигром за выживание.

Ф. Хайтович- Внутривидовая конкуренция - самая жёсткая. Это не только выживание, это же ещё и иерархия. То есть стать вожаком, стать начальником - это очень сложно.

Н. Асадова- Раз уж мы заговорили про кошек, то мы успеем ответить ещё на один вопрос, который прозвучал в прошлой передаче: «Опасно ли мурлыканье для кошек?».

Е. Быковский- Кстати, отличный вопрос, который попадает в канву того, о чём мы говорили только что. Потому что мурлыканье, конечно, не может быть опасным для кошек, по крайней мере, очень вряд ли, потому что если бы оно было опасно, мурлыкающие кошки не доживали бы до возраста, в котором они оставляют потомство. Эта способность была бы очень быстро вытеснена из популяции. А что касается вообще мурлыканья, то это правда, что кошки умеют мурлыкать благодаря такому очень интересному строению гортани, точнее - потрясающему контролю над мышцами. У них очень жёсткие связки. И когда гортанные мышцы дёргаются, то связки жёстко вибрируют, вот этот звук мы и слышим.

Н. Асадова- Почти как у французов.

Е. Быковский- Похоже, кстати, да. Это можно назвать грассированием. Но там немножко другие мышцы это вызывают. А вообще, когда мы думаем о мурлыкающей кошке, мы предполагаем, что она довольна. Но на самом деле это не так. Потому что все кошки мурлыкают, точнее, большинство представителей кошачьих. И они мурлыкают и когда они испуганные, и когда расстроены, особенно в стрессе часто мурлыкают.

Н. Асадова- Кстати, неожиданно. Я не знала.

Е. Быковский- Так и есть. Просто когда кошка в стрессе, мы её обычно не видим. Она мурлыкает где-то отдельно от тебя. Ты её не слышишь. И есть ещё одна очень забавная гипотеза. Но она на грани науки. Поскольку мурлыканье возникает из-за дыхания, то это звук с регулярным ритмом, и он имеет частоту где-то между 25 и 150 Гц. И говорят, что эта частота звука ускоряет восстановление костей мышц. И некоторые учёные считают, что это не простое совпадение. Это может объяснить, почему кошки мурлыкают при ранении. Это, например, я сам слышал. Наверное, они каким-то способом пробуют заживить раны. Но я предупреждаю, что это одна из гипотез, хорошего документального подтверждения пока не имеющая.

Н. Асадова- Слушайте, у нас буквально полминутки осталось. Владимир спрашивает: «Правда ли, что температура головы человека на макушке выше, чем в других частях головы, и с чем это связано?». Может быть, Филипп, вы сможете быстро ответить на этот вопрос.

Ф. Хайтович- Если в шапке, то да.

Е. Быковский- Отличный ответ.

Н. Асадова- Спасибо вам большое. У нас в студии был Филипп Хайтович, эволюционный биолог, профессор Шанхайского научно-исследовательского института вычислительной биологии и руководитель лаборатории «Сколтеха». Мы с вами прощаемся до следующей пятницы. Спасибо, что были с нами.

Е. Быковский- Спасибо, Филипп. Всем удачных выходных. До свидания.

Источник: echo.msk.ru

Комментарии: