Глава НЦФМ Сергеев: создан фотонный вычислитель, который обгонит суперкомпьютеры
Четыре года назад в России был создан Национальный центр физики и математики (НЦФМ) в городе Саров, где когда-то начинался атомный проект СССР. Сейчас центр активно строится, возводятся корпуса для новых уникальных лабораторий. Однако есть у НЦФМ уже и первые серьезные научные результаты. О световых нейросетях, специализированном фотонном вычислителе, а также о возможности "вскипятить" вакуум и создать вещество и антивещество с помощью лазера "Газете.Ru" рассказал научный руководитель НЦФМ академик РАН Александр Сергеев.
- Почему НЦФМ было решено строить в Сарове?
- Национальный центр физики и математики — это проект создания своеобразного академгородка ХХI века. У него есть много миссий. Первая из них - это, конечно, развитие фундаментальной науки с получением новых результатов в области физики и прикладной математики. Но поскольку это проект "Росатома", он базируется на площадке рядом с федеральным ядерным центром в Сарове, в котором были созданы первые отечественные атомная и водородная бомбы. Специфика заключается в связке фундаментальной науки и оборонных технологий, которые развиваются в ядерном центре.
Решая абсолютно новые фундаментальные задачи физики, мы работаем вместе с учеными ядерно-оружейного комплекса, которые новые результаты фундаментальных исследований примеряют к тому, насколько они могут быть важными и полезными для решения задач обороноспособности и безопасности страны.
- В 40-х годах ХХ века появились ядерные технологии, которые буквально установили новый миропорядок. Они открыли и новый путь извлечения энергии, благодаря чему были созданы и атомная бомба, и атомные электростанции. Задача НЦФМ в поиске новых технологий такого уровня?
- Да. Перед нами стоят серьезные задачи. Например, уверены ли мы, что, если говорить об извлечении энергии, используемые сегодня реакции деления или синтеза ядер, - это самый эффективный путь? Ясно, что ответ на этот вопрос зависит от уровня нашего познания мира. Чем глубже вы познаете мир, тем больше открывается возможностей, скажем, для создания новых источников энергии.
Вот у нас есть таблица Менделеева - и, опираясь на нее, мы поняли устройство атомов и дошли до устройства атомного ядра, получив в результате ядерную энергию. Но ведь у нас сегодня есть другая таблица с описанием более детального устройства микромира…
- Вы говорите про стандартную модель – теорию, которая описывает взаимодействие всех элементарных частиц, из которых состоим мы и мир вокруг нас?
- Да, в ней сейчас представлены 17 фундаментальных частиц и взаимодействий, есть три поколения материи, есть кварки, есть электроны, есть глюоны и так далее. Но мы это знание пока практически не используем. А ведь наверняка в процессе исследований стандартной модели ученые увидят процессы, которые могут быть использованы в практике.
- Вы предполагаете или знаете это?
- Ученые обсуждают эти возможности. Например, возьмем такую частицу, как нейтрон. Как мы сейчас знаем, нейтрон состоит из трех кварков. Если мы возьмем массу нейтрона и возьмем массу трех кварков, из которых он состоит, то окажется, что масса нейтрона во много-много раз больше, чем суммарная масса кварков. И поэтому, если бы можно было вытащить кварки из нейтрона, или, как говорят, осуществить деконфайнмент кварков, то мы бы получили грандиозный источник энергии. Уменьшение суммарной массы взаимодействующих частиц означает выделение энергии. И если в обычной реакции деления ядер на АЭС дефект массы небольшой, на уровне процентов, то в гипотетическом примере с кварками он огромный.
- Кварковые АЭС или кварковое оружие?
- Можно пофантазировать на этот счет и в другом примере. Ведь существует аннигиляция вещества…
- Это давняя идея устроить взрыв, используя антивещество, которое уже научились добывать на Земле, правда в очень маленьких количествах?
- Да, та самая идея. И это один из идеальных источников, когда масса целиком превращается в энергию безмассовых частиц, фотонов. Мы объединяем массу частиц и античастиц, они сливаются, происходит аннигиляция, и оттуда летит гамма-излучение. Это излучение мы можем использовать для того, чтобы нагреть рабочее тело, - как в уже известных нам АЭС. В конечном счете нам же нужен тот же машинный зал, где стоит паровая установка, которая превращает все это в электричество.
- Вы будете с антивеществом работать в НЦФМ на своих новых установках?
- Мы будем работать, чтобы научиться получать в лаборатории вещество и антивещество посредством использования лазера, который дает очень большую плотность энергии, или мощность, или интенсивность при фокусировке в вакууме. Мы называем это "кипячение" вакуума.
- Что это такое?
- При фокусировке лазера, который мы строим, у нас в той точке пространства, в которой мы фокусируем, будет рождаться вещество и антивещество. Мы сможем в лаборатории моделировать космологические явления, которые были 14 миллиардов лет назад. Этот новый инструмент позволит нам забраться внутрь вакуума.
- Так там же пустота?
- Вакуум, скорее всего, не пуст, но мы до сих пор не знаем его устройство. Предполагается, что это море виртуальных частиц, особым образом взаимодействующих друг с другом. И вот для того чтобы разобраться с устройством квантового вакуума, нам нужно его разрушить.
- Как будет называться лазер, которым вы собираетесь "кипятить" вакуум?
- XCELS - (еXawatt Center for Extreme Light Studies - буквально: центр изучения экстремального света). Лазер, который мы строим, имеет экзаватный (1018) уровень пиковой мощности. Максимальная мощность лазеров, с помощью которых сегодня ведутся исследования в лаборатории, имеет уровень несколько петаватт (1015). В нашей стране есть лазер с мощностью три петаватта, он построен в ИПФ РАН в Нижнем Новгороде.
Но даже на уровне ста петаватт мы уже должны увидеть эффекты, связанные с "кипячением" вакуума. Это абсолютно точно.
- Теперь по поводу трех кварков. Вы будете пытаться их вытащить из нейтрона?
- Исследования ядер и нуклонов будут вестись у нас на другой установке, которую мы также собираемся построить к 2030 году. Это источник комптоновского излучения. Комптоновский эффект — это изменение энергии фотона при взаимодействии с электроном. Если фотоны налетают на движущиеся им навстречу электроны в ускорителе, энергия и частота фотонов будут возрастать, причем в современных ускорителях можно увеличивать частоту в миллионы раз до десятков мегаэлектрон-вольт (это гамма-диапазон). Мы хотим сделать из фотонов резонансный возбудитель ядер.
- Для чего?
- Чтобы разрушить ядро. Известно, что в ядре атома за счет взаимодействия протонов и нейтронов есть резонансы, как у колеблющегося маятника. И если изучить резонансные частоты, то можно попробовать сломать ядро. Это еще никому не удавалось в мире. Не молотком условным по нему стукнуть, а в такт с его колебаниями добавлять и добавлять разрушительную энергию резонансной световой волны гамма-диапазона.
- И так получится достать три кварка из нейтрона?
- Пока мы говорим только про ядро. Для того, чтобы воздействовать на нейтрон нужна энергия не в десятки мегаэлектрон-вольт, которые берутся с комптоновского источника, а сотни мегаэлектрон-вольт. Но мы знаем, как получить и ее. Мы впервые ставим себе задачу изучить свойства не только ядерной, но и нуклонной материи. Это более глубокий уровень мироздания. И первые эксперименты на новых установках мы должны провести в 2030 году.
- Значит, вы строите в Сарове две установки?
- Мы хотим построить три. Третья мегаустановка будет больше нужна математикам, а не физикам.
- Мегаустановка для математиков может быть только суперкомпьютером. Так ведь?
- В общем, да. Но в обычных суперкомпьютерах, которые называются электронно-вычислительными машинами, мы отстали очень сильно. И здесь мы в обозримом будущем вряд ли догоним мировых лидеров просто из-за состояния микроэлектроники в нашей стране. Но можно идти другим путем. Мы решили такую супермашину с очень большим числом операций в секунду делать не на основе ЭВМ, а на основе фотонных вычислительных устройств.
- Это квантовый компьютер?
- Нет. В квантовом компьютере используются квантовые свойства света, например, запутанность фотонов. А тут квантовости нет никакой. Мы будем использовать обычный свет, электромагнитную классическую волну. Но вычисления буду производиться на новых физических принципах.
Наш световой вычислитель сможет производить операции не в цифровом режиме.
- А в каком же? Аналоговом?
- Именно так. Что такое цифровая эпоха, в которой мы сейчас с вами живем? Мы информацию представляем побитово — 0.1. Вся эта наша современная цифровая махина построена на четырех логических операциях и битах. В 50−60-х годах человечество решило идти по пути цифровых вычислений, и вот мы по этому пути и идем. Однако можно идти и по аналоговому пути. Точность при этом, конечно, упадет, но скорость вычислений может сильно вырасти. Во многих случаях, особенно когда речь идет об обработке изображений или работе с лингвистическими моделями, вам важно делать операции очень быстро и не обязательно очень точно.
- О какой точности вы говорите?
- Если вы распознаете с помощью фотонного устройства террориста в толпе с вероятностью 95%, вам поставят памятник. Современные цифровые системы позволяют вычислять с точностью, когда мы после запятой в числе имеем еще 16 знаков. В данном случае это не требуется.
- Как именно работает ваш аналоговый световой вычислитель?
- Он работает с помощью световых нейронных сетей, точнее они называются дифракционными нейросетями. Дифракция — это одно из явлений, свойственных свету. Когда свет распространяет через сложную пространственную структуру, имеет место перепутывание световых лучей и образуется явление дифракции.
Работа любой искусственной нейронной сети в системах искусственного интеллекта – алгоритмическая. Алгоритм гоняет на компьютере большое число раз процедуру перемножения матрицы на матрицу. А световая нейросеть видит изображение, записанное на световой волне, и его преобразует. Для этого свет пропускается через устройство, которое называется фазовый экран. Это матрица с большим числом маленьких пикселей, например 1000х1000 пикселей с размером 5 микрон каждый. Пиксели физически — это жидкие кристаллы, которые за счет того, что вы на них подаете разное электрическое напряжение, имеют различные коэффициенты пропускания световой волны. Подбирая коэффициенты пропускания, можно из одного изображения на входе получать другое на выходе. Это похоже на алгоритм искусственной нейронной сети, но перемножение матриц осуществляется аналоговым способом при прохождении света через фазовые экраны.
- Так существует уже ваш световой вычислитель или это все теоретические расчеты?
- Он существует, на данный момент это наше первое большое достижение, которое получено в кооперации нескольких организаций, выполняющих научную программу НЦФМ, включая Самарский национальный исследовательский университет, Институт физики полупроводников СО РАН и Российский федеральный ядерный центр в Сарове.
- Почему эта штука работает быстрее, чем самый быстрый ЭВМ-компьютер?
- Перемножение матрицы на матрицу с размерностью nxn в компьютере каждый раз требует проведения n3 операций. Когда вы хотите работать с матрицами большого размера, n3 — чудовищно большая величина, поэтому работа с матрицами с размером, скажем, тысяча на тысячу элементов неподъемна даже для самых мощных компьютеров ЭВМ.
Свет, который распространяется через фазовый экран, делает это мгновенно. Происходит, если хотите, полностью параллельная обработка информации, в сравнении с последовательной процедурой обработки данных в процессорах ЭВМ. Это дает неоспоримое преимущество при работе с большими изображениями.
- То есть если мы берем все камеры с распознаванием лиц в Москве и просто показываем эти лица, собранные за несколько дней, вот такому световому вычислителю, то он тут же нам выдает ответ: кто террорист?
- Он тут же нам выдает, что вот этот человек подозрителен, потому что в библиотеке лиц есть очень похожее изображение с лицом, которое принадлежит преступнику. Говоря о практических применениях, наши коллеги в настоящее время готовят бортовой комплекс, который будет использоваться именно для обработки больших потоков изображений.
- Например, его можно будет поставить на борт беспилотника или спутника?
- Да, там как раз нужно обрабатывать множество всяких изображений для распознавания на основе искусственного интеллекта.
- Где еще можно будет использовать ваш световой вычислитель?
- В работе с большими лингвистическими моделями типа ChatGPT. Ведь большая языковая модель — это то же самое, что и работа с большими пространственными изображениями.
- Сможет ли искусственный интеллект развиваться быстрее, если получит выше скорость вычислений благодаря свету?
- Мы думаем, что развитие информационной фотоники с аналоговой обработкой будет существенным образом определять вообще темп развития всей информатики. Ведь что определяет этот темп? Чем быстрее компьютер, тем более серьезные задачи вы можете ставить. Мы надеемся, что наш световой вычислитель к 2030 году будет иметь производительность на три порядка больше производительности самых быстрых суперкомпьютеров ЭВМ сегодня.