Квантовые технологии обещают перевернуть мир, но пока развитие этого направления находится на стартовой позиции. За первенство в новой области борется ряд стран, включая Россию. Томский государственный университет – один из первых российских университетов, на базе которых появился Центр квантовых технологий. О том, на решение каких фронтирных задач он нацелен, почему коллектив центра преимущественно молодой и можно ли сравнивать квантовые и суперкомпьютеры, рассказал руководитель центра, декан РФФ Александр Коротаев.
Россия вовремя откликнулась
– Александр Григорьевич, расскажите, как появилась идея заняться развитием квантовых технологий? У ТГУ уже был какой-то задел в этой области?
– Работа началась с подачи ректора ТГУ Эдуарда Галажинского, который оценил перспективы направления и посчитал, что университет мог бы этим заняться. У нас не было большого научного задела, скорее, имелся набор разрозненных компетенций, которые позволяли нам «ввязаться» в эту историю. Первая задача, которая перед нами стояла, – собрать работоспособную группу, которая сможет вывести эти компетенции на уровень достаточный, чтобы вести борьбу за гранты, заниматься конструированием квантовых технологий и прочим.
Можно сказать, что ТГУ стал одним из первых университетов в России, которые взялись за развитие технологий нового класса. В МГУ квантовый центр официально открылся в 2018 году. Центр в ТГУ сделал свои первые шаги в конце 2019 года. Тогда же к развитию данного направления приступили Казань, Санкт-Петербург и наши соседи ТУСУР. Там, где в это были вложены средства, появился результат.
– Центр квантовых технологий на базе ТГУ ведёт работу эту самостоятельно или есть партнёры?
– ЦКТ создан в ТГУ, но мы работаем в тесной кооперации с несколькими научными организациями. Это Российский квантовый центр, Институт сильноточной электроники СО РАН, НИИ автоматики имени Н.Л. Духова (Росатом), Иркутский филиал Института лазерной физики СО РАН и промышленные партнеры из Томска и Новосибирска.
– Квантовые технологии начали развиваться сравнительно недавно. Лидер в этой области уже определился?
– Действительно, это новое направление, ему около 10 лет. Что касается лидерства, то спор за него ведут США и Китай. Но и Россия тоже претендует на первенство, поскольку наша страна успела вовремя откликнуться на этот вызов. Российский квантовый центр был создан в 2016 году. У российских учёных есть свои достижения в этой области.
Квантовое превосходство
– Многие что-то слышали про квантовые технологии, но очень немногие представляют себе, что это на самом деле и почему эти технологии способны перевернуть мир.
– Основой квантовых технологий служат совершенно иные законы, нежели у технологий, которые мы сейчас используем. Это позволяет открывать перспективы, которые сейчас кажутся фантастикой. Например, с помощью квантовых технологий можно создать абсолютную защиту систем связи и информации. Защищённость будет обеспечена не за счёт методов криптографии, а именно на физическом уровне. Взломать такие системы без повреждения информации невозможно. Наряду с этим системы, построенные по законам квантовой физики, будут отличаться сверхбыстродействием. Скорость передачи информации увеличится не в разы, а на порядки в сравнении с тем, что мы сейчас имеем.
Другой пример квантовых технологий – создание сверхчувствительных датчиков, позволяющих обнаруживать вещества на уровне одной молекулы. Но, пожалуй, главная цель, к которой идут учёные разных стран, – создание квантового компьютера. Сегодня в мире уже есть около 10 прототипов, но пока они работают в исследовательском режиме. Со временем квантовые компьютеры достигнут требуемой производительности, так называемого квантового превосходства, и тогда многие задачи в самых разных отраслях будут решаться в тысячи раз быстрее.
Сферы использования могут быть самыми разными – медицина, фармакология, создание новых материалов, обеспечение безопасности, предсказание экологических процессов. При этом не следует думать, что обычные цифровые компьютеры уйдут с рынка. Нет! Просто у каждого типа компьютеров будет своя ниша. Возможно, новые поколения цифровых компьютеров будущего будут основаны на принципах фотоники, а не электроники, так как фундаментальный предел миниатюризации современной наноэлектроники не за горами.
– Можно сравнить, во сколько раз квантовый компьютер будет мощнее самого быстрого на сегодня суперкомпьютера?
– Нет. Это разные категории, разные принципы организации расчётов. Это как сравнивать велосипед и самолёт – и то, и другое движется, но совершенно по-разному, в основе разные физические принципы.
– Получается, что квантовые технологии – это самый короткий путь к новому технологическому укладу?
– Не совсем. Когда говорится про новый технологический уклад, это немного о другом. В основном это о всеобщей цифровизации, роботизации, информатизации. Но какие бы вы не сделали супертехнологии, какая это цифровизация – если подросток из интернет-кафе может влезть в сеть и взломать весь ваш технологический процесс? Пока вы не обеспечите абсолютную защиту информационных сетей, вы всё время будете ходить по лезвию бритвы. Поэтому несомненно, что квантовые технологии – одна из потенциальных основ цифровой революции.
Кто готов рискнуть?
– Александр Григорьевич, насколько велика рабочая группа по квантовым технологиям и кто в неё вошёл?
– В группе около 30 человек, это преимущественно молодые люди, седовласых учёных в ней немного, человек пять-шесть. Средний возраст разработчиков чуть больше 30 лет, в основном это аспиранты, но в коллективе есть и магистранты. Развитие квантовых технологий – задача очень непростая и в некотором смысле рискованная, молодые с большей готовностью берутся за такие вещи.
– Вы сказали, задача рискованная. Почему?
– Законы квантовой физики – один из самых сложных разделов в науке. Нет гарантии, что ваши исследования дадут результат, который приведёт к успеху. Есть вероятность, что финансы и время будут потрачены не с той эффективностью, на которую изначально рассчитывали.
– Над чем сейчас работает коллектив центра?
– Например, ранее в ТГУ и ИСЭ СО РАН много лет велись исследования свойств оптических центров в алмазе для создания устройств оптоэлектроники. Затем поняли, что можно использовать NV-центры для создания физической основы квантового компьютера и отдельных элементов систем квантовых коммуникаций. Теперь исследования ведутся немного под другим углом – с прицелом на решаемые задачи. Параллельно совершенно случайно был обнаружен эффект сначала усиления излучения, а затем и лазерной генерации в этих системах. Это то, на чем работают ученые в мире, но пока никому не удавалось построить лазеры на основе таких квантовых систем. Удивительно или закономерно, но нам удалось! Теперь предстоит провести обширный цикл исследований в данном направлении, включая применение таких алмазных лазеров в оптических квантовых информационных технологиях.
Еще одна прикладная задача, которой мы начали заниматься ранее и продолжаем делать это сейчас – квантово-размерные структуры для приёмных устройств: приемники одиночных фотонов, фотовольтаические элементы для солнечных батарей. Там есть большой набор технологических и научных задач, прежде всего связанных со свойствами этих структур, с их воспроизводимостью и другими параметрами.
Сейчас пытаемся взяться за квантовую локацию, которая имеет преимущества перед обычными локационными системами. Всё это пока на уровне разработок и экспериментов.
Есть фундаментальные научные задачи, которые необходимо решать, есть и чисто инженерные, как, например, улучшение характеристик систем квантовых коммуникаций, новые алгоритмы квантовых вычислений. Работаем над этим.
Стать заметными на «квантовой карте»
– Александр Григорьевич, если говорить о том, что уже удалось сделать в выбранном направлении, что бы вы отметили?
– Когда мы начинали разворачивать квантовое направление, было выиграно госзадание по этой тематике. На XIII Международной конференции ICAM 2020 мы организовали круглый стол о подготовке кадров в области квантовых технологий, в котором приняли участие представители ТГУ, ТУСУР, ЦДФМиЕНО ТГПУ, Российского квантового центра, ООО «КуРэйт», ВНИИА им. Н.Л. Духова, МГУ.
Достаточно успешно развивается образовательная траектория. Образовательный трек строится по концепции life long learning и в настоящее время охватывает аудиторию от школьников до сотрудников организаций. В общей сложности за два года через этот образовательный трек прошло более 1000 школьников, 170 студентов и порядка 60 сотрудников университетов и институтов. В прошлом году мы разработали дополнительные общеразвивающие программы для школьников и студентов и программу повышения квалификации по квантовым технологиям.
Одним из важных событий стала разработка и реализация программы повышения квалификации для людей, пострадавших в пандемию COVID-19, в рамках совместного проекта Минпросвещения России с союзом «Молодые профессионалы (Ворлдскиллс Россия)». Работа в ТГУ шла по разным направлениям, но у всех у них уже есть история, а вот курс по квантовым технологиям был сделан впервые. Мы также принимали активное участие в мероприятиях по профориентации школьников, организовали несколько открытых лекций, в декабре 2020 года провели хакатон по квантовым технологиям.
Добавлю, что в 2019 году студентка РФФ Кристина Хомякова стала первым чемпионом WorldSkills Russia в компетенции «Квантовые технологии». В 2020 году в этой же номинации мы взяли «серебро». Заместитель декана РФФ Юлия Маслова – один из первых в России сертифицированных экспертов WorldSkills в «Квантовых технологиях», и ТГУ получил предложение от WorldSkills стать соучредителем этой компетенции. В 2021 году меня избрали членом координационной комиссии центра компетенций НТИ по квантовым технологиям в МИСиСе. Эти факторы, пусть и косвенно, свидетельствуют о том, что на квантовой карте России Томский государственный университет становится заметным.