Радиофизики Томского государственного университета вместе с учеными Института сильноточной электроники СО РАН и коллегами из других городов России разрабатывают системы квантовых коммуникаций для БПЛА и спутников, абсолютно защищенных от перехвата информации, и элементную базу квантовых быстродействующих компьютеров. На радиофизическом факультете также готовят специалистов с квантовыми компетенциями: на сегодняшний день обучение закончили более 300 человек, в числе выпускников – чемпионы и призеры WorldSkills Russia.
Проект «Исследование компонентов и программно-аппаратных комплексов систем квантовой коммуникации и квантовых компьютеров» по созданию систем квантовых коммуникаций и реализации образовательных программ поддержан программой стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» в рамках стратегического проекта ТГУ «Технологии безопасности».
Проект «Физические основы использования низкоразмерных полупроводниковых структур в квантовых информационных системах» по созданию квантовых компьютеров выполняется в рамках Государственного задания Минобрнауки России.
Новые системы квантовых коммуникаций будут абсолютно защищены от вскрытия и утечки любой информации, а потенциальное быстродействие квантовых компьютеров будет намного выше, чем у любых современных. Такие компьютеры способны решать задачи, на которые даже у суперкомпьютера уйдет до нескольких тысяч лет.
По словам декана РФФ ТГУ Александра Коротаева, в части построения элементной базы квантовые компьютеры нужно сделать достаточно дешевыми и быстродействующими. В имеющихся сегодня компьютерных системах не решен ряд вопросов, в частности, о квантовых состояниях, на которых реализуются такие компьютеры. Этим направлением и занимаются радиофизики ТГУ в рамках Государственного задания Минобрнауки России. В результате отработана технология формирования NV-центров в алмазе и проведено моделирование их использования для создания кубитных состояний.
Что касается систем квантовых коммуникаций, сегодня сеансы квантовой связи проходят, как правило, на специально проложенных оптоволоконных линиях, поясняет ученый. Поэтому одна из основных задач проекта, поддержанного программой «Приоритет 2030», – создание атмосферного канала квантовой связи без оптоволокна, который можно использовать для БПЛА и спутников.
– Здесь основная проблема – создание источников и приемников одиночных фотонов, и наша глобальная задача заключается в разработке открытых и защищенных систем квантовой коммуникации на основе отечественной элементной базы. Сейчас мы разрабатываем приемники одиночных фотонов на квантовых точках, – рассказывает Александр Григорьевич. – Мы отработали технологии создания структур с квантовыми точками. Следующий этап – изготовление приемника.
На данном этапе создана макетная установка для осуществления квантовой связи по атмосферному каналу. В планах у радиофизиков – доработать элементную базу квантового компьютера и построить в небольшом масштабе полноценную линию квантовой коммуникации.
Важной составляющей этих проектов является создание непрерывного образовательного трека, начиная со средней школы. По словам Александра Коротаева, специалистов с квантовыми компетенциями никто в стране не готовит, а по прогнозам с 2024 года начнется спрос на них – в связи с широким внедрением квантовых коммуникаций.
– Частично эта программа нами реализована: обучение элементам квантовых технологий мы внесли в образовательные программы бакалавриата и магистратуры РФФ ТГУ. Около 300 человек мы обучили на курсах дополнительного профессионального образования, в том числе для чемпионата WorldSkillsRussia по компетенции «Квантовые технологии», где наши студенты становились чемпионами и призерами, – говорит декан РФФ.
Квантовыми технологиями ученые радиофизического факультета ТГУ занимаются с 2020 года. До этого совместно с сотрудниками Института сильноточной электроники СО РАН радиофизики изучали свойства оптических NV-центров в алмазе для создания устройств оптоэлектроники. В ходе исследований они обнаружили, что можно использовать NV-центры для создания физической основы квантового компьютера и отдельных элементов систем квантовых коммуникаций. В начале 2022 года радиофизики Томского госуниверситета создали первый в мире алмазный лазер на основе таких квантовых систем.
За все время исследований ученые РФФ опубликовали около 10 статей в научных журналах Q1 и Q2, получили два патента и несколько регистрационных свидетельств на компьютерные программы. С 2020 года Томский государственный университет входит в «Центр квантовых коммуникаций НТИ», в октябре 2022 присоединился к консорциуму «Национальная квантовая лаборатория».
Сейчас в команде двух проектов около 30 человек. В основном это сотрудники лаборатории квантовых информационных технологий ТГУ – ученые радиофизического факультета и Института сильноточной электроники СО РАН. В работе участвуют также сотрудники научных институтов Москвы и других городов. Работа над проектами ведется в тесном сотрудничестве с Российским квантовым центром (Москва).