Наймолодша кандидатка наук в Україні заявила: "Я відчуваю пристрасть до науки, а наука відповідає взаємністю".

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 уважно слухала її лекцію про таємничий квантовий світ, що гармонійно перепліталася з музичними звуками, і навіть не помітила, як швидко пролетів час. Мене осінило, що якби хтось так цікаво викладав фізику в школі, я б обов'язково її полюбила. Як виявилося, пані Христина зберігає свої музичні інструменти навіть у робочому кабінеті на кафедрі теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука у Львівському національному університеті імені Івана Франка. Тут можна знайти не лише скрипку, а й фортепіано та гітару. Дівчина навчалася в консерваторії, і музика лунає навіть на її заняттях для студентів. Лекції та спецкурси, які викладає пані Христина, одразу ж привертають увагу в розкладі та на афішах: "Квантова фізика через призму алегорії", "Природа музики: від класики до квантового виміру".

Окрім своєї діяльності в університеті, пані Христина також проводить заняття у літній науковій школі для дітей. Вона обіймає посаду віцепрезидентки Львівської обласної Малої академії наук та є головою секції з ядерної фізики та астрономії в експертній раді Міністерства освіти і науки.

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 змогла встояти перед бажанням розпитати її про загадковий квантовий всесвіт, про музику та фізику, про те, де формуються нові зірки науки.

Я навчалась в економічному ліцеї і захоплювалася багатьма предметами, такими як економіка та правознавство. Проте найбільший інтерес у мене викликали фізико-математичні науки, адже вони дозволяють зрозуміти і описати навколишній світ. Особливо мене вабила фізика, оскільки вона відкриває двері для творчих пошуків та вільного мислення. Я прагнула вступити до університету, щоб стати науковицею. Для мене важливо відчувати себе частиною глобальної наукової спільноти, яка працює над створенням знань, що у майбутньому принесуть користь суспільству. Я щиро люблю науку, і, здається, вона відповідає мені взаємністю.

Що спонукало вас зацікавитися квантовою фізикою?

Це сталося під час мого навчання на третьому та четвертому курсах університету, коли я глибоко занурилася у вивчення квантової механіки. Ця наука є досить новою і залишається на передовій досліджень, з багатьма аспектами, які ще потребують вивчення. Проте, я завжди мала в своєму житті музику, що була моєю пристрастю. Тому я паралельно навчалася на оркестровому факультеті Львівської національної музичної академії імені Миколи Лисенка та на фізичному факультеті університету. Музика для мене – це не просто спосіб втекти від повсякденності; вона надихає мене і сприяє моїм науковим досягненням. Я навіть пишу свої наукові статті під звуки улюблених композицій.

-- Фізика й лірика -- це ж ледь не протилежності: емоції та розум, ноти та формули. Для вас вони схожі?

З одного боку, ці дві сфери виглядають як протилежності, але з іншого – мають багато спільного. У кожній з них присутні як креативність, так і конкретика. Навіть у фізиці важливим є творчий підхід – необхідно досліджувати нові концепції та нестандартні рішення, щоб рухати науку вперед.

Наукові дослідження розкривають суть музики, зокрема фізика детально аналізує, як виникають звуки та як відбувається гра на музичних інструментах.

У фізиці та музиці ключовими є наполегливість, ретельність і витримка. У музиці це проявляється як сценічна стійкість, здатність долати страхи та координувати свої рухи і дії. Музикант — це не просто той, хто точно виконує ноти, а той, хто глибоко відчуває себе і навколишній світ, подібно до того, як це робить науковець.

Ви використовуєте алегорії для пояснення наукових концепцій. Які образи допомогли б вам описати квантовий світ?

Квантовий світ настільки дивовижний і незвичайний, що важко знайти єдину алегорію, яка б змогла охопити всі його аспекти. Тому для кожної властивості цього загадкового світу я намагаюся підібрати окрему алегорію.

Розгляньмо, наприклад, одне з основних понять квантової фізики — квантову заплутаність. Її суть полягає в тому, що квантові частинки здатні "відчувати" одна одну, навіть якщо між ними існують великі відстані. Стани цих частинок виявляються скорельованими, що означає, що ми не можемо аналізувати стан кожної частинки окремо, а лише разом. Коли стан однієї частинки змінюється, аналогічні зміни відбуваються миттєво і в іншій частинці. Це явище можна порівняти з особистим зв'язком між двома людьми, які настільки близькі, що здатні відчувати один одного навіть на відстані, як, наприклад, найкращі друзі.

Одним з ключових аспектів квантової фізики є концепція суперпозиції квантових станів. Квантові частинки можуть існувати в кількох станах одночасно. Як це можна проілюструвати? Уявіть, що я є квантовою частинкою: в один і той же час я могла б перебувати на зустрічі з вами, проводити лекцію для студентів, гуляти по Львову та навідувати своїх батьків. Це і є суперпозиція моїх різноманітних станів: "з вами на зустрічі", "проводжу лекцію" тощо. Це вражаюче і незвичайне явище. Більше того, я можу перебувати в цих станах у різних пропорціях: скажімо, я могла б більше часу провести з вами, а менше — на лекціях, або ж навпаки.

Ви зазначили, що спроби виміряти щось у квантовій сфері призводять до змін у стані квантової системи. Чому це відбувається?

Коли ми здійснюємо вимірювання властивостей квантової системи, ми фактично втручаємося в її природу, вступаючи в взаємодію з квантовим світом. Це втручання призводить до змін у стані квантових частинок. Важливо зазначити, що точне прогнозування результатів квантового вимірювання є неможливим; ми можемо лише оцінити ймовірність отримання певного результату. Наприклад, у нашому класичному світі, вимірюючи висоту кімнати, ми могли б отримати чітке значення, наприклад, два метри. Однак, якщо б ми неодноразово проводили аналогічні вимірювання в квантовій реальності, результати завжди б істотно варіювалися – це могли бути як метр, так і п'ять або три метри. Для кращого розуміння специфіки квантового вимірювання можна уявити коробку, наповнену різноманітними цукерками. Коли ми дістаємо цукерку, не заглядаючи всередину, ми не можемо заздалегідь знати, яку саме цукерку отримаємо, і не можемо з упевненістю стверджувати про результат нашого експерименту. Ми можемо лише оцінити ймовірність того, що в наших руках опиниться цукерка певного типу.

Це мені нагадує "Алісу в країні Чудес". Поряд з нами існує невидимий мікрокосмос, що живе власним життям, і його реальність не підлягає вимірам та поясненням звичними фізичними законами. Це так само складно зрозуміти, як і безмежність Всесвіту.

Ми теж є продуктом квантових частинок. Усі макроскопічні об'єкти навколо нас, як-от письмовий стіл, також складаються з цих елементарних одиниць. Але чому ж ми не володіємо тими надзвичайними можливостями, які притаманні квантовій реальності? Чому ми не можемо одночасно перебувати в декількох місцях або бути в заплутаному стані? Вся справа в тому, що квантові частинки, з яких ми утворені, не існують у вакуумі; вони постійно зазнають впливу навколишнього світу та взаємодіють з ним.

Які напрямки наукових досліджень активно розвиваються в галузі квантової фізики?

Однією з найбільших турбот сучасних науковців, яка триває вже багато років, є розробка теорії квантової гравітації. Ця концепція має на меті об'єднати наші уявлення про класичну гравітацію і квантову механіку. На жаль, поки що не існує жодних рівнянь, які б ефективно поєднували ці дві успішні теорії. Проте дослідники активно займаються пошуками рішення. Якщо людство досягне цієї мети, ми зможемо отримати нові фундаментальні знання про структуру та природу Всесвіту.

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.

Ще однією цікавою галуззю є програмування для квантових комп'ютерів. Квантові процесори кардинально відрізняються від звичних нам пристроїв, оскільки в своїх обчисленнях вони використовують унікальні властивості квантового світу. Ці комп'ютери здатні обробляти величезні обсяги даних одночасно і робити це з надзвичайною швидкістю. Для виконання квантових розрахунків необхідно ізолювати систему від зовнішніх впливів і охолодити її до екстремально низьких температур, вимірюваних в мікрокельвінах. У зв'язку з цим квантові комп'ютери мають значні габарити і нагадують великі люстри. Провідні компанії, такі як IBM, Intel і Rigetti, займаються їх розробкою. На жаль, Україна поки що не має можливості виробляти власні квантові комп'ютери через високу вартість, що сягає сотень мільйонів доларів, а також потребу в значних людських ресурсах. Проте це не ставить під сумнів конкурентоспроможність наших теоретичних фізиків, оскільки ми можемо проводити обчислення на квантових процесорах завдяки онлайн-доступу, наданому, наприклад, компанією Rigetti Computing.

Вирішення задачі за допомогою квантового програмування є унікальним процесом. Наприклад, для виконання операцій над числами їх спочатку потрібно закодувати в характеристиках квантових бітів, після чого здійснити обчислення на кубітах. Отримати результат обчислень можна лише через втручання в систему, шляхом проведення квантового вимірювання, яке, слід зазначити, має ймовірнісну природу.

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.

Наукові центри при університетах мають велике значення для виховання нових поколінь дослідників. Щоб глибше зануритися в нову наукову галузь і досягти значних результатів, потрібен певний час для детального вивчення, формулювання актуальних задач та їх вирішення. Якщо в такому центрі дослідження тривають вже понад двадцять років, це створює надійний базис для отримання цікавих наукових досягнень і розробки інноваційних навчальних програм.

Окрім питань квантового програмування, ви також навчаєте студентів основам квантової криптографії, що стосується забезпечення безпеки особистої інформації.

-- 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 унікальний жанр, який народжується завдяки використанню квантових комп'ютерів. У процесі створення цієї музики відчувається справжня творчість, адже ми шукаємо способи, як відобразити характеристики квантового світу у звукових композиціях. Разом зі студентами ми активно працюємо над цим на заняттях. Особливо захоплюючим є розробка квантових алгоритмів і їх подальше втілення в музику. Теорія створення музики з використанням квантових процесорів швидко розвивається, а в Європі вже проходять концерти, присвячені квантовій музиці.

-- 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 виступає як багатообіцяючий напрямок, тісно пов'язаний із сучасними технологіями, зокрема в сфері інформаційних технологій. Цей напрямок викликає значний інтерес серед абітурієнтів. Щоб залучити молодь до вивчення фундаментальних наук, таких як фізика, необхідно вкласти більше сил і ресурсів. Однією з ключових причин відсутності інтересу є низька конкурентоспроможність зарплат у науковій сфері. Хоча значні наукові досягнення відкривають можливості для отримання престижних грантів і стипендій як в Україні, так і за кордоном, шлях до досягнення значних наукових результатів залишається довгим та складним.

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.