О Развитии квантовых технологий в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова

К 60-летию научной школы нелинейной оптики

в Московском университете и

55-летию открытия спонтанного

параметрического рассеяния света

В этой заметке сообщается о некоторых аспектах квантовых технологий на физическом факультете МГУ — от базовых экспериментов квантовой оптики до устройств квантовой защищенной связи и квантовых компьютеров/симуляторов. На фоне противоречивых,а порой и фантастических прогнозов развития этой высокотехнологичной отрасли, данкраткий реалистичный обзор состояния дел в тесной привязке к фундаментальным и прикладным разработкам, ведущимися на физфаке.

Статья состоит из трех частей:

В первой рассказывается о структуре Центра квантовых технологий физического факультета, Консорциуме Центра, а также об основных направлениях его деятельности.

Во второй собраны материалы по подготовке кадров по квантовым технологиям на физфаке.

В третьей — об основных научных проектах Центра.

1. Центр квантовых технологий физического факультета, консорциум центра, основные направления его деятельности

Московский Университет является лидером в области квантовых технологий в России. Все три направления, составляющие квантовые технологии, — квантовые вычисления, квантовая связь, и квантовые сенсоры — активно развиваются в МГУ. Квантовые технологии являются специфическими в общем ряду сквозных технологий, развиваемых в России. Это связано с сильным доминированием фундаментальных и поисковых исследований, проводимых под их эгидой.

Определяющий задел МГУ по квантовых технологиям базируется на всемирно известных научных Школах физического факультета МГУ:

• Школа нелинейной оптики Р.В. Хохлова (нелинейные процессы в оптике, включая параметрические преобразования. См. статьи в двух предыдущих номерах Советского физика, посвящённые юбилеям школы нелинейной оптики в Московском университете и открытия спонтанного параметрического рассеяния света),

• Школа квантовой оптики Д.Н. Клышко (технологии генерации, преобразования и измерения N-фотонного света, абсолютная квантовая фотометрия, квантовая интерферометрия и спектроскопия),

• Школа квантовых измерений В.В. Брагинского (принципы прецизионных квантовых измерений, квантово-невозмущающие измерения, разработка ключевых элементов для детекторов гравитационных волн),

• Школа взаимодействия излучения с веществом Л.В. Келдыша (неупругая туннельная спектроскопия, взаимодействие мощного лазерного излучения с атомами, молекулами и твёрдыми телами, кинетика сильно неравновесных квантовых систем),

• Школа квантовой одноэлектроники К.К. Лихарева (одноэлектронные устройства и системы, элементы памяти и логические элементы вычислительных систем).

Рем Викторович Хохлов (1926-1977)

Давид Николаевич Клышко (1929-2001)

Владимир Борисович Брагинский (1931-2016)

Леонид Вениаминович Келдыш (1931-2016)

Константин Константинович Лихарев

Коллективами этих Школ было получено большое количество научных результатов, определяющих мировой уровень в этой области знаний.

Отмечая задел физического факультета в области квантовой оптики, нельзя не упомянуть о деятельности лаборатории спонтанного параметрического рассеяния света на кафедре квантовой радиофизики (с 2001 года — кафедры квантовой электроники) под руководством Александра Николаевича Пенина.

Александр Николаевич Пенин (1940-2016)

Почти сразу после открытия Д.Н. Клышко, В.В. Фадеевым и О.Н. Чунаевым эффекта спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света (об истории открытия см. статью в предыдущем номере «Советского физика») стало ясно, что уникальные статистические свойства пар фотонов можно использовать в новом направлении, которое активно зарождалось в то время — в квантовой оптике. И действительно, практически сразу появилось несколько идей, которые очень быстро были реализованы в экспериментах, о том, как использовать бифотоны в метрологии — при разработке принципиально новых фотометрических эталонов спектральной яркости излучения, для абсолютной безэталонной калибровке фотодетекторов, а также в качестве генераторов одиночных фотонов [Д.Н. Клышко, А.Н. Пенин. Перспективы квантовой фотометрии. УФН, 152, 653-665 (1987).].

Чуть позже — в конце 80-х годов ХХ века — начался поток статей (теоретических и экспериментальных) — в которых пары коррелированных фотонов использовались для проверки неравенств Белла и демонстрации парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена [Y.H. Shih, C.O. Alley, New Type of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Experiment Using Pairs of Light Quanta Produced by Optical Parametric Down Conversion. Phys.Rev.Lett., 61, 2921-2924 (1982).]. Фактически, с этого момента пары перепутанных фотонов стали «рабочей лошадкой» не только квантовой оптики, но и зарождающейся области — квантовой обработки информации [Yanhua Shih, An Introduction to Quantum Optics: Photon and Biphoton Physics. ISBN 9781138601253. Published December 14, 2020 by CRC Press. 448 Pages 140 B/W Illustrations].

Сейчас трудно представить себе раздела квантовых технологий, в котором бы не использовались пары перепутанных фотонов: квантовые коммуникации, квантовые вычисления и квантовая сенсорика — все эти субтехнологии во многом базируются на статистических свойствах бифотонов. И по сей день процесс СПР является одним из наиболее эффективных источников таких состояний света. С момента открытия СПР появились новые нелинейные материалы, существенно изменилась аппаратная база оптических экспериментов. Это дало возможность поднять эффективность генерации бифотонов в тысячи раз, создать компактные источники и приемники таких состояний и работать с ними не как с объектом изучения, а как с надежным инструментом в проведении фундаментальных и прикладных работ в области квантовой обработки информации и спектроскопии [D.A. Kalashnikov, A.V. Paterova, S.P. Kulik, L. Krivitsky, Infrared Spectroscopy withVisible Light. Nature Photonics, 10, 98–101 (2016)].

Центр квантовых технологий

https://quantum.msu.ru/

Решением правительства РФ в 2019 году три направления — квантовые вычисления, квантовая связь, и квантовые сенсоры — были закреплены за тремя крупнейшими профильными компаниями — Росатомом, РЖД и Ростехом, соответственно — для того, чтобы обеспечить выполнение разработанных Дорожных карт под, практически, персональную ответственность.

Годом ранее, в 2018 году, приказом ректора МГУ им. М.В. Ломоносова академика В.А. Садовничегона физическом факультете в рамках Национальной технологической инициативы был создан Центр компетенций по направлению «квантовые технологии».Директором Центра был назначен декан физфака Н.Н. Сысоев, научным руководителем — С.П. Кулик.

Продолжая лучшие традиции Московского университета в целом и физического факультета в частности, Центр квантовых технологий (ЦКТ) ведет активную работу по четыремстратегическим направлениям квантовых технологий:

• реализация ключевых комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов в области квантовых вычислений, квантовых коммуникаций и квантовых сенсоров;

• обеспечение правовой охраны, управления правами и защиты как полученных Центром РИД, так и РИД, переданных ему в управление;

• разработка и реализация основных образовательных программ высшего образования, направленных на формирование компетенций в области квантовых технологий;

• развитие инфраструктуры научной, научно-технической, инновационной и интеллектуальной деятельности.

Деятельность Центра тесно связана с Консорциумом — кооперации научно-образовательных и коммерческих организаций, реализующих Программу. География консорциума обширна — в него входят организации из Санкт- Петербурга, Новосибирска, Казани, Пензы, Саратова, Черноголовки, Томска, Челябинска и Троицка. В состав Консорциума, кроме лидера — МГУ, входят 23 организации, в том числе:

Семь ведущих вузов России:

• Санкт-Петербургский государственный университет;

• МГТУ имени Н.Э. Баумана;

• Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ;

• Национальный исследовательский университет МИЭТ;

• Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР);

• Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского;

• Южно-Уральский государственный университет.

Пять институтов РАН:

• Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр РАН»;

• Институт физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН;

• Институт физики твердого тела РАН;

• Физико-технологический институт РАН;

• Институт общей физики имени А.М. Прохорова РАН.

Шесть коммерческих компаний — индустриальные партнеры Центра:

• ОАО «ИнфоТеКС» и Учебный центр ИнфоТеКС;

• НТП «Криптософт»;

• НПК «Авеста-Проект»;

• Издательский дом «Электроника».

• ЗАО «ЮЛ-ком Медиа».

Некоммерческие организации

• Иннопрактика;

• «Кванториум» г. Саратов.

Представители двух Государственных корпораций:

• ВННИА имени Н.Л. Духова (Росатом);

• концерн «Автоматика» (Ростех).

Общественная организация

• Ассоциация защиты информации.

Активное и постоянное взаимодействие позволяет всем организациям, входящим в консорциум, вести совместные образовательные и исследовательские проекты, делиться лучшими практиками и актуальными достижениями, способствовать формированию научного сообщества, а также чутко реагировать на запросы рынка. Консорциумная форма объединения дает возможность в полной мере и, зачастую, неформально использовать компетенции организаций как дополняющие для продвижения по четырем стратегическим направлениям, перечисленным выше.

2. Подготовка кадров по квантовым технологиям на физфаке МГУ

В качестве иллюстрации деятельности Центра квантовых технологий рассмотрим два направления — образовательное и научное.

Одной из ключевых задач, которую ставит перед собой Центр квантовых технологий, является подготовка высококвалифицированных кадров. В первую очередь, речь идет о магистерских программах.

Центр подготовил и реализует три магистерских программы:

• «Квантовая криптография и квантовая связь». Цель данной программы — подготовка специалистов по вопросам квантового распределения ключей и квантовой связи. В рамках программы рассматриваются как вопросы классической теории информации и методов передачи данных, так и изучение в требуемом объеме квантовой теории. В рамках первой части программы изучают вопросы кодирования информации и исправления ошибок, классической криптографии, основ цифровых систем связи, некоторые аспекты современных методов разработки цифровых электронных устройств. Вторая часть посвящена основам квантовой оптики, квантовым технологиям в целом, физическим основам квантовой криптографии и изучению известных протоколов квантового распределения ключей. Также подробно рассматриваются такие смежные вопросы, как генерация случайных чисел, «постквантовая криптография» и др.

• «Квантовые вычисления». Эта программа готовит специалистов нового типа — «квантовых инженеров», специалистов по разработке элементной базы и программного обеспечения для квантовых компьютеров. Междисциплинарная программа подготовки включает в себя как углублённое изучение теории квантовой обработки информации, теории квантовых вычислений и квантовых алгоритмов, так и необходимые разделы физики, лежащие в основе физических моделей квантовых вычислений. В частности, сюда относятся квантовая оптика, физика холодных атомов, физика конденсированного состояния и взаимодействия излучения с веществом. Данная программа содержит курсы для подготовки специалистов в области экспериментальной физики, связанной с созданием квантовых вычислительных систем.

• «Квантовые и оптические технологии». В рамках этой программы ведется подготовка специалистов, обладающих навыками и компетенциями, необходимыми для разработки квантовых вычислительных устройств на основе одноатомных центров в твердотельных структурах, а также устройств нанофотоники, интегральной оптики, и использования современных оптических методов диагностики в области квантовых технологий.

Решение проблемы подготовки кадров по квантовым технологиям видится не только в разработке и чтении соответствующих курсов. С 2018 года ЦКТ регулярно проводит Школу по квантовым технологиям (http://qutes.org/), с привлечением ведущих российских и зарубежных ученых. В разные годы с лекциями выступили Artur Ekert, Anton Zeilinger, Filippe Grangier, Andrew Forbes, Mark Saffman, Marco Genovese, Marco Bellini, Сергей Вятчанин, Фарид Халили, Валерий Рязанов, Алексей Устинов, Сергей Молотков, Николай Колачевский и многие другие ученые, составляющие цвет науки о квантовой обработке информации.

Во время работы 3-й Школы по квантовым технологиям (Сочи, 1-7 марта 2020)

Здесь нужно сказать о еще одной учебной разработке, уникальной для России. В 2019-2020 году в Центре квантовых технологий был разработан и внедрен учебно-научный комплекс для практических работ по квантовой оптике и квантовой информатике. Этот комплекс позволяет экспериментально исследовать базовые законы квантовой физики (принцип суперпозиции, соотношение неопределенностей, явление перепутанности, нарушение неравенств Белла и др.) на примере задач квантовой информатики (квантовое распределение ключа, квантовый генератор случайных чисел, томография квантовых состояний и процессов), реализованных на самой простой и наглядной физической платформе — платформе квантовой оптики.

Дело в том, что квантовая физика, несмотря на свою востребованность в современном мире, представляет определенную сложность для понимания, так как ее базовые принципы полностью противоречат нашему повседневному опыту. Возможно, именно с этим связан поток противоречивой информации, нередко появляющейся в СМИ в интерпретации невежественных или, как минимум, неподготовленных «интерпретаторов» науки — и про системы защищенной связи, и про невиданные по возможностям вычислительные устройства1. Преодолеть этот разрыв и дать полное понимание законов квантовой физики может только практический опыт работы с квантовыми системами. Поэтому практикум, разработанный в ЦКТ, является чрезвычайно полезным инструментом для обучения и отработки практических навыков. Использование установок практикума на занятиях со студентами подтверждают этот тезис.

Учебный комплекс включает в себя две части — классическую и квантовую. Классическая часть посвящена исследованию поляризации классического света — пожалуй, единственной характеристики классического излучения, описание которой изоморфно описанию свойств двухуровневых систем в квантовой механике. Поляризация — это наглядный мостик между классическим и квантовым описанием явлений. На ее основе можно реализовать процедуры приготовления и измерения одиночныхкубитов, практически, не выходя за пределы классической оптики, используя аппарат векторов Джонса. Квантовая часть комплекса, состоящая из пяти модулей, позволяет генерировать перепутанные поляризационные состояния пар фотонов/бифотонов и с их помощью демонстрировать нарушение неравенств Белла, реализовывать различные протоколы квантовой томографии и криптографии, наблюдать интерференцию Хонга-Оу-Манделя, исследовать статистику фотонов различных квантовых состояний света и на основе этих исследований создавать квантовые генераторы случайных чисел.

Один из стендов в практикуме по квантовым технологиям

Работа с практикумом реализована таким образом, что студенты могут выполнять задания как очно, так и удаленно, через интернет. Это оказалось особенно важным во время перехода на дистанционный формат обучения, который негативно сказался на многих других практических занятиях.

Надо отметить, что дистанционное образование, предлагаемое Центром квантовых технологий, не ограничивается доступом к практикуму. Сотрудниками центра записано несколько онлайн-курсов, все они доступны на портале Открытое образование (https://openedu.ru). Благодаря этому пройти курс и получить сертификат могут и сотрудники технологических компаний, и студенты, имеющие достаточную подготовку и соответствующие базовым требованиям, предъявляемым к слушателям.

Как видим, образовательные курсы и используемые решения позволяют подготовить специалистов по каждой из субтехнологий. Причем, возвращаясь к магистерским программам,отметим, что все учебные планы составлены таким образом, чтобы обучающиеся могли не только получать фундаментальные и актуальные знания по выбранной программе, но также активно участвовали в реальных разработках, которые ведутся в Центре, взаимодействовали с индустриальными партнерами. Это позволяет добиться того, что к окончанию магистерской программы выпускник может одинаково успешно как продолжить заниматься научной деятельностью, так и применить полученные знания на практике, занявшись разработкой новых технологий или устройств. В ситуации с такой стремительно развивающейся отраслью как квантовые технологии такая возможность кажется особенно актуальной, потому что на данный момент отрасль испытывает катастрофическую нехватку профессионалов высокого уровня. Причем при реализации прикладных задач эта нехватка ощущается ничуть не менее остро, нежели в научной и исследовательской работе.

Важно, что учебные заведения, входящий в Консорциум Центра квантовых технологий, активно взаимодействуют с Центром в области подготовки кадров и пользуются разработанными в центре методиками и курсами.

Ярким примером плодотворного сотрудничества организаций в рамках Консорциума, является деятельность Санкт-Петербургского государственного университета. Здесь в 2020-2021 годах в рамках сотрудничества с ЦКТ и передачи образовательных компетенций между партнерами Консорциума, запущен первый в Санкт-Петербурге лабораторный образовательный практикум по квантовой оптике и информатике, где студенты на высокотехнологичном оборудовании осваивают навыки владения квантовыми технологиями. Практикум предполагает работу студентов на оборудовании, позволяющем манипулировать одиночными квантовыми объектами, что требует не только особых навыков проведения эксперимента, но заставляет изменить подход к исследованию физических объектов. Для внедрения основ такого мышления практикум сопровождается теоретическими занятиями, семинарами и практическими аудиторными занятиями. Для более легкого погружения в технику эксперимента в СПбГУ создана виртуальная среда, в которой знакомство с экспериментом организовано в виде научной компьютерной игры.

Огромный опыт научной работы в области квантовой оптики СПбГУ позволил в 2019-2021 гг. создать — при поддержке со стороны ЦКТ — новые онлайн-курсы, доступные на платформах «Открытое образование» и «Coursera» (англоязычный ресурс). Содержание этих курсов оказалось также широко востребованным в текущей эпидемиологической ситуации, утвердившей особую роль дистанционного образования в общем образовательном процессе. Курсы посвящены знакомству с физическими основами квантовых вычислений. Уникальность созданного образовательного контента заключается в последовательном сквозном представлении материала — от основ квантовой механики к современным приложениям, которые сейчас у всех на слуху.

Создание англоязычного контента и привлечение англоязычной аудитории — это заявка на позиции ЦКТ в данной области. В настоящий момент подготовлена онлайн-специализация по квантовым вычислениям на платформе Coursera.

В 2020 году в СПбГУ создана и запущена программа дополнительного образования «Физические основы квантовых вычислений». Необходимость создания такой программы продиктована прежде всего тем, что физики и специалисты других направлений не знакомы даже на базовом уровне с принципами и новыми подходами квантовых технологий. Это направление появилось совсем недавно и только сейчас внедряется в образовательный процесс.

Другим примером сотрудничества организаций Консорциума в рамках подготовки кадров, является инициатива руководства кафедры криптологии и кибербезопасности НИЯУ МИФИ. Сотрудники ЦКТ читают магистрантам кафедры курсы «Физические основы квантовой криптографии» и «Основы квантовой криптографии». Эти курсы призваны познакомить будущих специалистов по информационной безопасности как с перспективами угроз, которые представляют квантовые вычисления для классических криптографических систем, так и с методами использования принципов квантовой физики для передачи секретной информации. На основе очных курсов подготовлены также и онлайн-курсы на платформах edX и Открытое образование.

Окончание в следующем номере «Советского физика».

С.П. Кулик, профессор кафедры квантовой электроники, научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ

_____

1 К сожалению, в погоне за финансированием, этим злоупотребляют и некоторые ученые.