В Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) прошел День открытых дверей для абитуриентов магистратуры сетевого Квантового университета, созданного по инициативе «Росатома». Первый набор объединит студентов пяти ведущих вузов страны, которые через два года пополнят кадровый резерв квантовой индустрии.
Участникам показали самый мощный в России квантовый компьютер, познакомили с атомными часами нового поколения и объяснили, почему сетевая модель обучения — ключ к подготовке специалистов мирового уровня. Подробности — в нашем материале.
Кадры решают все: какой будет магистратура
Квантовый университет создан по инициативе Госкорпорации «Росатом». Вузом-координатором выступает НИЯУ МИФИ, участниками соглашения стали МГУ имени М.В. Ломоносова, МФТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана и НИТУ МИСИС.
Суть программы не в том, чтобы просто перечитать лекции из разных вузов. Студент остается в своем базовом университете, но 20 из 120 зачетных единиц (по 4 от каждого вуза-партнера) он получает на сетевых курсах. Группа из 25 человек — по пять студентов от каждого университета — будет ездить друг к другу на лекции и лабораторные, осваивая лучшие дисциплины каждого из вузов.
Флагманские курсы уже определены: в МГУ будут читать «Расчет и дизайн оптических компонентов», в МИФИ — «Лазерное охлаждение квантовых частиц», в МФТИ — «Сверхпроводимость и джозефсоновские переходы», в МИСИС — «Сверхпроводящие цепи и кубиты», в Бауманке — технологии элементной базы квантовой обработки информации.
Выпускники получат два документа: диплом государственного образца от базового вуза и сертификат сетевого Квантового университета. Но главное, по замыслу создателей, это не бумаги, а место в кадровом резерве квантовой индустрии, который формирует «Росатом». Для технологических компаний этот резерв станет закрытой базой приоритетных кандидатов.
Директор по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева отметила, что квантовые технологии — это вопрос долгосрочной конкурентоспособности страны. Задача не сводится к научным аспектам: нужно строить целую индустрию и внедрять кванты в реальную экономику. А для этого требуются кадры нового типа — не просто физики-теоретики, а универсальные специалисты, которые одновременно понимают фундаментальную науку, инженерную работу и практику внедрения. Квантовый университет как раз и создан, чтобы таких людей готовить, объединяя вузы, академические институты и промышленность в единую образовательную экосистему.
«Одно из базовых направлений здесь — кадровое обеспечение масштабных планов. Инициатива „Росатома“ по созданию Квантового университета родилась из понимания того, что объединение в одном научно-образовательном проекте ведущих вузов, академических институтов и высокотехнологичных компаний позволит вести подготовку глубоких и одновременно универсальных кадров, которые впитают теоретические основы, погрузятся в науку и при этом будут понимать подходы к организации квантового внедрения».
Екатерина Солнцева, директор по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом»
Декан физического факультета МГУ, профессор Владимир Белокуров напомнил, что создание Квантового университета — это необходимое условие для стратегического развития страны в области квантовых технологий. По его словам, квантовые технологии — совершенно новая область, и главную роль в их развитии предстоит сыграть молодым ученым, которые воспримут знания ведущих вузов страны и создадут совершенно новые продукты.
«Квантовые технологии — совершенно новая вещь, и, конечно, главную роль в этом предстоит сыграть молодым ученым, которые воспримут все наши знания, дающиеся в ведущих вузах страны, и создадут совершенно новые продукты».
Владимир Белокуров, декан физического факультета МГУ, профессор
Ректор НИЯУ МИФИ Владимир Шевченко подчеркнул стратегический характер этой приемной кампании.
По его словам, первый набор в сетевой Квантовый университет — это не просто открытие новой магистерской программы, а шаг в реализации долгосрочной стратегии кадрового обеспечения квантовой отрасли.
«Мы прекрасно понимаем: чтобы занять прочные конкурентные позиции на мировой арене, недостаточно развивать только науку или технологии — нужно готовить универсальных специалистов нового типа. Именно для этого под эгидой „Росатома“ объединились ведущие вузы, академические институты и высокотехнологичные компании в единую образовательную экосистему. В Квантовом университете планка будет еще выше — мы нацелены на самых сильных и амбициозных ребят, готовых работать на уровне мировых научных стандартов. Глубоко убежден: те, кто пройдет через Квантовый университет, составят костяк новой генерации отечественных ученых и инженеров», — отметил ректор НИЯУ МИФИ.
Лазеры, кубиты и кудиты
После выступления спикеров для гостей провели экскурсию в лабораторию, где работает 70-кубитный квантовый вычислитель на ионах иттербия-171 — на сегодняшний день алгоритмически самый мощный квантовый компьютер в России.
Обычный компьютер оперирует битами — значениями 0 и 1.Квантовый компьютер использует кубиты, которые благодаря суперпозиции могут находиться одновременно в двух состояниях — и как 1, и как 0. Это позволяет исследовать множество возможных решений одновременно и быстрее находить ответ для некоторых классов задач.
Управляют кубитами с помощью лазерных импульсов: они воздействуют как на отдельные частицы, так и создают между ними квантовую запутанность — состояние, в котором измерения одной частицы мгновенно сказываются на другой, даже если они далеко друг от друга.
В лаборатории ФИАН используют еще более эффективный подход: в каждом ионе кодируют не один, а два кубита. Такие системы называют кудитами. Для этого задействуют четыре энергетических уровня. В результате цепочка из 35 ионов дает 70 кубитов — вдвое больше, чем при стандартном кодировании.
Главные ограничения таких систем — точность операций и время когерентности, то есть период, в течение которого кубит сохраняет свое квантовое состояние. У классических компьютеров вероятность ошибки ничтожна — 10 в минус восемнадцатой степени.
У квантовых она пока на много порядков выше: около 10 в минус седьмой степени для однокубитных операций и 10 в минус четвертой для двухкубитных. Чем сложнее вычисления, тем выше риск сбоя, так как ошибки накапливаются. Поэтому сейчас основная задача — увеличить точность операций и продлить «жизнь» кубитов.
Следующий этап развития — переход от объемных трехмерных ловушек к планарным чип-ловушкам. Их можно производить методами, близкими к классической микроэлектронике, что делает процесс более технологичным.
Такие чипы позволяют разбивать длинные ионные цепочки на небольшие группы, управлять ими по отдельности, перемещать и соединять обратно. Это открывает путь к масштабированию системы. Первые эксперименты уже подтвердили работоспособность подхода: ученые научились проводить однокубитные операции и перемещать ионные кристаллы прямо над поверхностью чипа.
Тулий и время
Другая лаборатория, которую показали гостям, работает над оптическими часами на атомах тулия — еще одним перспективным направлением квантовых технологий. Здесь ученые решают задачу, которая на первый взгляд кажется парадоксальной: зачем создавать часы, если существующие стандарты уже достаточно точны?
Сейчас мировым эталоном служат микроволновые стандарты на цезии, но уже несколько десятилетий известно, что оптические переходы позволяют измерять частоту с гораздо большей точностью. Тулий выбрали не случайно: его основной переход лежит в ближнем инфракрасном диапазоне (1140 нанометров), при этом атомы тулия почти нечувствительны к тепловому излучению.
«Конкурентам» — стронциевым и иттербиевым часам — приходится либо с очень высокой точностью контролировать температуру окружения, либо использовать криогенные экраны, чтобы не сдвигать уровни. Ученые ФИАН обходятся простой стабилизацией температуры в комнате.
Еще одно преимущество тулиевых часов — компактность. Разработчики уже создали второе поколение установки, значительно уменьшив габариты по сравнению с первой. Идея в том, чтобы собрать систему, которую можно загрузить в обычную «Газель» и возить по лабораториям для сличения часов. Такие транспортируемые оптические часы необходимы как для проведения синхронизации удаленных шкал времени, так и для измерения гравитационного потенциала.
Практических применений у сверхточных часов множество: геодезия и гравиметрия (по гравитационному сдвигу частоты можно обнаружить залежи полезных ископаемых или пролегающие под землей тоннели), навигация с точностью до сантиметров, поиск дрейфа фундаментальных констант — той самой «тонкой настройки» Вселенной, которая пока незадетектирована. Уже сейчас оптические часы на тулии превосходят цезиевый стандарт, и ученым для ее характеризации нужна вторая такая же установка. Именно для этого в лаборатории собирают две независимые системы.
Вывод
Создание новой магистерской программы показывает, что развитие квантовых технологий в России выходит за рамки отдельных научных проектов. Государство, ведущие университеты, академические институты и промышленность формируют единую систему подготовки специалистов, способных работать как над фундаментальными исследованиями, так и над практическим внедрением квантовых решений.
Параллельно с запуском новой образовательной программы в стране развиваются собственные квантовые вычислители, перспективные архитектуры на ионных ловушках и оптические атомные часы нового поколения. Именно сочетание современной науки, инженерных разработок и подготовки кадров должно стать основой для дальнейшего развития российской квантовой индустрии.