Профессору Александру Холево, сотруднику Математического института имени В.А. Стеклова и Российского квантового центра (РКЦ), присуждена престижная премия Шеннона, вручаемая за достижения в области теории информации. Последний раз ученые из нашей страны удостаивались ее 37 лет тому назад — еще в советское время, в 1978 году. «Лента.ру» попыталась разобраться, почему сейчас она досталась именно Александру Холево.
Может показаться, что премия нашла своего адресата с некоторым запозданием. Александр Холево работает над той частью теории информации, что касается квантовых вычислений, чрезвычайно давно. В 1973 году, всего 30 лет от роду, он доказал широко известную теорему Холево. Теорема устанавливает верхний предел на количество информации, которое может быть извлечено из квантовых состояний. Ее выводы и сейчас, несколько десятилетий спустя, выглядят довольно неожиданными.
Из теоремы Холево следует, что емкость квантовых каналов, называемая ныне верхняя граница Холево, может быть строго больше, чем классическая информация Шеннона. После доказательства в 1996 году теоремы кодирования (независимо Холево и Шумахером с Вестморлендом) появился новый вопрос: не будет ли пропускная способность квантовых каналов, вычисляемая в предположении параллельного использования асимптотически большого количества одинаковых каналов, совпадать с верхней границей Холево для одного канала? Иными словами, будет ли давать выигрыш при кодировании использование сцепленных состояний? Вопрос этот получил название гипотезы аддитивности. Как в дальнейшем выяснилось, квантовый канал может как обладать, так и не обладать свойством аддитивности.
В частности, при выполнении свойства аддитивности получается, что хотя квантовый бит (кубит) теоретически может переносить больше информации, чем обычный бит, но извлечь из него можно не больше, чем из обычного классического бита. Это довольно необычный, на первый взгляд, вывод. Дело в том, что квантовый бит, в отличии от обычного, может быть равен не только «1» или «0», но и одновременно иметь целый ряд значений между «0» и «1». В квантовой механике про такую ситуацию говорят, что в кубите наблюдается суперпозиция состояний. Поэтому его полное состояние как объекта можно описать парой комплексных чисел, сумма квадратов которых равна единице. Благодаря этим параметрам кубита квантовые компьютеры в настоящее время оцениваются как прорывное направление научных исследований, потенциально способное революционизировать вычисления в ряде областей.
Профессор Александр Львовский, руководитель научной группы Российского квантового центра, отмечает: «Это кажется удивительным, потому что известно, что квантовые компьютеры гораздо мощнее классических. Теорема Холево показывает, что квантовый компьютер и его преимущества — дело крайне тонкое. Нельзя воспринимать квантовый компьютер просто как более мощный классический».
Следует признать, что в 1970-х при всей научной значимости теоремы, которую Львовский называет «основополагающей для всей теории квантовой информации и квантовых линий связи», ожидать широкого признания за ее разработку было довольно трудно. Дело в том, что даже экспериментальных квантовых линий связи в это время просто не было, из-за чего открытие, сделанное «на кончике пера», было практически невозможно оценить по достоинству. Сама идея квантовых вычислений как таковых была предложена лишь в 1980 году советским математиком Юрием Маниным — прототипом Вечеровского из «За миллиард лет до конца света» братьев Стругацких. Соответственно, значимость теоремы в тот момент была вовсе не так очевидна, как сегодня, когда уже построены первые квантовые компьютеры и квантовые линии связи отрабатываются в десятках научных центров по всему миру.
Пользуясь несколько вольной аналогией, можно сказать, что практическая значимость формулы Циолковского до запуска первых космических ракет была неочевидна сходным образом. Профессор Львовский описывает ситуацию так: «Большое видится на расстоянии, а для оценки такого колоссального достижения, как теорема Холево, потребовалось почти полвека... Результаты Холево упоминаются в статьях и на конференциях весьма часто и в самых разных контекстах квантовой информатики. Он — один из столпов этой науки и один из немногих ныне активных российских ученых, пользующихся в мире такой репутацией».
И в то же время отнести нынешнюю награду лишь на счет этой основополагающей теоремы не получится. Во-первых, строго говоря, после ее формулирования ученый получил ряд наград, таких как премия в области квантовой коммуникации (Quantum Communication Award, 1996 год) и премия Маркова (1997 год). Иными словами, его заслуги в своей области были признаны как в нашей стране, так и за рубежом. Во-вторых, уже после получения этих наград ему удалось добиться новых результатов фундаментального значения. Сравнительно недавно Александром Холево в соавторстве с Витторио Джованетти (Vittorio Giovannetti) и Раулем Гарсиа-Патроном (Raúl García-Patrón) была решена чрезвычайно значимая проблема гауссовских максимизаторов. Их работы затрагивают вопрос о том, каковы потенциальные ограничения, накладываемые квантовыми эффектами на пропускную способность линий оптоволоконной связи. Предложенное учеными решение дает ответ на вопрос, почему оптимальным для передачи информации по бозонным квантовым каналам являются именно гауссовские состояния.
Доктор физико-математических наук Александр Печень констатирует: «Это фундаментальное достижение было признано настоящим прорывом. Бесспорно, оно не могло не повлиять на решение Комитета Общества теории информации о вручении премии Шеннона российскому ученому». Как подчеркивает Александр Печень, «Quantum Communication Award — очень престижная награда, но в области именно квантовой информации, в то время как премия Шеннона — по всей теории информации, что значительно более значимо». Ее вручение, таким образом, означает и намного более широкое признание заслуг ученого.
Активная научная деятельность Александра Холево продолжается, и список из 170 его научных публикаций в ближайшее время может существенно пополниться. Быть может, нечто подобное случится и со списком его научных наград.