Фрактали, алгоритми й квантова музика. Як українська фізикиня навчає комп’ютери багатозадачності

Дитиною малювала дерева за допомогою фракталів

Христина Гнатенко — не з тих людей, які з дитинства мріяли про наукову кар’єру. Чітке розуміння того, що фізика стане її професією, прийшло лише в одинадцятому класі.

«Я усвідомила, що дуже багато справ є для мене цікаві, як і дуже предметів, які викладали нам в економічному ліцеї, як-от поглиблена економіка… Мене цікавила й музика також. І коли я зрозуміла, що фізика описує дуже багато різних процесів, зокрема й музику, яку я обожнювала, у мене зʼявилося чітке розуміння, що, так, фізика буде моїм навчальним предметом у вищому навчальному закладі», — розповідає науковиця.

Тож, закінчивши ліцей, вона вступила до Львівського університету ім. Івана Франка на фізичний факультет. Й одночасно — у консерваторію. Бо, каже, фізика й музика «поєднуються дуже гарно».

Христина пригадує, що в дитинстві її вирізняла не так допитливість, як посидючість. Могла довго працювати над однією справою і не втрачала інтересу до деталей. Посидючість виховувала музика, бо треба було щоразу вдосконалюватися і дедалі краще грати твір. Ця риса стала у пригоді й у науці.

Велику роль у її зацікавленні точними дисциплінами відіграла родина. Батьки прищеплювали любов до світу й природи. Її мама — математикиня. Саме вона ще в ранньому дитинстві пояснювала доньці, що таке фрактали. Разом вони навіть малювали дерева за допомогою фрактальних алгоритмів.

Після другого курсу студенти обирали спеціалізацію. І тоді її група стала винятком: теоретичну фізику обрали сім дівчат і лише двоє хлопців. Каже: «Ми жартома називали себе найдівочішою групою фізиків-теоретиків».

Загалом дівчата дедалі більше почали цікавитися наукою, стверджує Христина. У цьому, припускає, зіграли роль приклади успішних жінок-науковиць. 

А проте пригадує один випадок: «Я мала наукову популярну лекцію, і дівчинка мене спитала: “А чи можна дівчаткам займатися тим, чим ви займаєтесь?”. То я сказала: “Звісно, можна”. Але це було дуже дивне для мене питання. Не знаю, яка його основа».

Свої перші наукові роботи вона почала писати ще у школі — у межах Малої академії наук. Тоді її дослідження саме було пов’язане з фракталами. Але справжнім початком наукової кар’єри вона вважає іншу дату. 13 липня 2013 року Христина надіслала до наукового журналу свою першу статтю, написану на основі магістерського дослідження. Роботу опублікували в міжнародному журналі Physics Letters. На сьогодні, за 13 років роботи в науці, у Христини — понад сотню наукових праць.

У мене були сумніви, багато сумнів. Мені здавалося, що це дуже складно й це така область, яка потребує дуже-дуже великого занурення, і були сумніви, чи в мене вийде так глибоко зануритися в ту область. Але любов до справи, якісь перші успіхи, можливо, потім поєднання цього предмету з музикою, що дає можливість відпочивати й чергувати діяльність, дозволили цим сумнівам розвіятися.Христина Гнатенко, українська науковиця у сфері квантової фізики, докторка фізико-математичних наук

Христина стала наймолодшою докторкою фізико-математичних наук в Україні. Її дисертація, яку вона захистила у 28 років, досліджувала властивості класичних квантових систем з урахуванням того, що простір на надзвичайно малих, планківських масштабах має особливу структуру. Мета роботи — дати підказки експериментаторам, де шукати нові властивості простору та як їх можна перевірити в майбутніх дослідах.

«Квантова фізика — це дуже широка галузь. Це і фундаментальні задачі, і задачі квантової механіки, і задачі прикладні. Це і задачі з економіки, логістики, оптимізації. Це навіть свого роду мистецтво… Ми з учнями за допомогою квантових комп’ютерів створювали вишиванку, назвали її “квантова вишиванка”, і розмальовували наші візерунки», — пояснює науковиця.

Створює зі студентами «квантову музику»

Христина Гнатенко — фізикиня-теоретикиня. Сьогодні основний напрям її роботи — квантові технології. Вона досліджує квантові системи й розробляє алгоритми для квантових комп’ютерів — нової технології обчислень, яка працює за законами квантової фізики.

«Я займаюсь обчисленнями, які використовують особливості світу на дуже малих масштабах, на масштабах — у мільйони разів менші за метр. Це масштаби елементарних частинок — атомів, молекул, — які не видно неозброєним оком, але вони є в нашому світі», — пояснює науковиця.

Її робота полягає в тому, щоб вигадувати нові способи використання квантових комп’ютерів. Вона створює спеціальні алгоритми — тобто інструкції для таких машин, — які допомагають аналізувати дуже складні системи: наприклад, великі мережі зв’язків, транспортні системи або інші процеси, де є багато взаємопов’язаних елементів.

На відміну від звичайних комп’ютерів, такі машини використовують так звані кубіти, що можуть перебувати одразу в кількох станах, завдяки чому здатні виконувати складні обчислення значно швидше.

«От уявіть: якби ми, люди, могли перебувати в різних місцях одночасно, скільки б ми встигали? І таких місць не два, не три, а сотні, мільйони. Ми б встигали колосальну кількість справ зробити. От квантовий комп’ютер фактично так і робить — колосальну кількість обчислень одночасно», — пояснює Христина Гнатенко.

Зазначає: у професійній діяльності їй цікаво розробляти нові квантові алгоритми. Мріє, щоб вони мали, крім фундаментального, і практичне застосування. «Це буде дуже для мене цінно, і я буду щаслива», — каже науковиця.

Квантові знання можна застосовувати в реальному житті у різних сферах. Наприклад, для створення нових ліків або матеріалів чи в криптографії для захищеного зв’язку в банках і державних структурах. А вивчення квантових сенсорів, які вимірюють магнітні поля, гравітацію чи температуру, можна застосовувати в медицині, геології та навігації.

Також Христина популяризує науку — бере участь у науково-популярних лекціях, представляє Україну як науковиця за кордоном, а ще працює зі школярами й студентами. Один із курсів, який вона читає студентам, має незвичну назву — «Квантові алгоритми та квантова музика».

Ми зі студентами починаємо заняття з того, ми пишемо квантові алгоритми, а потім на основі того, що в нас вийде, пишемо музику. І в нас народжується «квантова музика» — музика, написана з використанням квантових технологій.Христина Гнатенко, українська науковиця у сфері квантової фізики, докторка фізико-математичних наук

Прописуючи такі спеціальні інструкції для квантових комп’ютерів, студенти, наприклад, отримують мелодію, яка відображає, як змінюється стан частинки в магнітному полі.

Так фізика й музика знову зустрічаються.

«Квантових компʼютерів в Україні немає»

На початку повномасштабного вторгнення іноземні колеги надсилали Христині пропозиції, щоб підтримати. У 9 із 10 випадків ці пропозиції передбачали виїзд з України.

Я постійно зустрічаюся з проблемою, що мушу відмовлятися від дуже гарних запрошень із дуже гарними посадами й зарплатами, які про роботу за кордоном. Бо я переконана, що у воєнний час дуже важливо підтримувати й просувати науку тут, в Україні.Христина Гнатенко, українська науковиця у сфері квантової фізики, докторка фізико-математичних наук

Науковиця зауважує: зарплата науковця й близько не конкурує з бізнесом чи IT-галуззю. На початку кар’єри їй було складно залишитися викладати в університеті. Фізика не надто популярна, тому кількість ставок була обмежена, отже, місць для молодих науковців мало. Вона отримала пів ставки викладацької роботи, на ці кошти не можна було прожити, тож мусила шукати гранти, щоб залишатися в академічній спільноті.

Ще однією проблемою для науковців залишається дефіцит сучасного обладнання. Тому важлива співпраця з міжнародними установами й університетами, щоб не лише обмінюватися досвідом, а й можливостями проведення експериментів.

«Мені як фізику-теоретику для досліджень потрібні тільки папір і ручка. І мені не потрібне фінансування на дороге обладнання. Але фізики-експериментатори дуже прив’язані до того, яка в них є лабораторія, і що в тій лабораторії є», — каже науковиця.

Сучасні квантові комп’ютери — надзвичайно складні пристрої. Наприклад, процесори компанії IBM потребують охолодження майже до абсолютного нуля. Через це вони схожі на великі багаторівневі металеві конструкції. В Україні квантових компʼютерів досі немає, тож дослідники можуть працювати з ними тільки дистанційно через інтернет.

І Львівський університет, каже Христина, у 2020 році першим в Україні й одним із перших у Європі завдяки освітній програмі отримав доступ до квантових компʼютерів. Це допомагає залучати молодь до науки й створює більш стабільні умови для роботи науковців.

«Тобто ситуація виправилася, — резюмує науковиця. — Ну, але це такий динамічний процес, постійно треба розвиватися в освіті, щоб зацікавлювати молодь вступати».

Цей матеріал створений за підтримки Фонду місцевого співробітництва Посольства Фінляндії в Україні.