Маленькое белое здание на Ленгорах. Входная дверь с кнопкой, за ней строгий охранник требует показать «удостоверение студента», далее — небольшой холл, а от него разветвляются узкие темноватые коридоры. Вокруг тишина и атмосфера камерности: это не учебный корпус, а Центр квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Здесь сотрудники под руководством Сергея Павловича Кулика занимаются самой что ни на есть наукой: исследованиями в области волоконной и атмосферной квантовой криптографии, физики холодных атомов, квантовой оптики, нанофотоники и нелинейной оптики и криоэлектроники.
Специалисты центра работают над крупными проектами в сферах квантовой коммуникации и вычислений. Одна из разработок — первая в России университетская квантовая сеть. Это именно коммуникационная сеть, в которой ведется общение по квантовому телефону как по обычному средству связи и мессенджеру.
Заходим в небольшой кабинет с кожаным диванчиком, рабочей зоной и журнальным столиком, на который секретарь заботливо ставит чашечку кофе. Это кабинет Сергея Павловича Кулика —научного руководителя Центра квантовых технологий МГУ, профессора кафедры квантовой электроники, доктора наук и лауреата Премии имени Ломоносова за научные работы.
©Екатерина Молчанова / Журналист Online
- С 20 по 23 сентября вы были членом программного комитета на форуме «Наука будущего — наука молодых», который проходил в Орле. Что входило в ваши обязанности как научного наставника? Как все прошло?
- Форум проходил в течение недели, я там был только в последний день, так получилось. В обязанности входило рецензирование работ, которые продавались на конкурс по соответствующей тематике. Кстати, довольно много работ, более-менее уровень достойный. Потом выбор победителя и награждение, не считая моей лекции по квантовым технологиям.
- Появились идеи для совместных междисциплинарных проектов с участниками форума? Какие?
- Я представляю квантовые технологии, это довольно высокая материя, топ-левел современных научных разработок. В этой области, в общем-то, нужно быть подкованным и в физике, и в математике. Мы полноценного экспериментатора готовим примерно 7-10 лет. Студент приходит на 2 курсе, учится пять лет, потом четыре года аспирантуры, и после этого становится полноценным специалистом-коллегой. На Форуме были в основном студенты начиная с 1-ого по 5-ый курс. Конечно, они выдвигали какие-то работы. Для них это уровень нормальный, но совершенно ненормальный для серьезного междисциплинарного проекта. Сразу после лекции ко мне подходило много народу. Видно, что они много слышали о квантовых технологиях, но понимания глубокого у них нет - считайте, что это это разные измерения. Я не говорю, что это ситуация ненормальная, но чтобы в этой области выдвигать какие-то проекты, надо соответствовать уровню подготовки.
У нас, как и везде, кадровый голод. Где взять специалистов? Есть два источника: первый источник - с улицы, то есть объявление на сайтах с последующим собеседованием и отбором. Приходят специалисты, но они, как правило, не соответствуют нашим требованиям. Второй источник — собственные студенты, и это уже приемлемо, потому что уровень преподавания на физфаке МГУ все-таки остается высоким. И вот студенты приходят к нам на 2 курсе и мы уже из них «лепим» специалиста в течение 7-10 лет.
- В недавнем интервью вы говорили, что теория квантовой физики уже сформулирована, а вы занимаетесь экспериментами, которые ее подтверждают. Над какими экспериментами вы работаете сейчас в лаборатории?
- Мы занимаемся квантовыми технологиями. Квантовые технологии канонически принято делить на три направления - три кита: это квантовые вычисления и эксперименты в этой области- создание сверхмощных вычислительных квантовых устройств, второе — системы защищенной связи и эксперименты, третье — всевозможные сенсоры и датчики, полей: магнитных, электрических, гравитационных... На основе эффектов квантовой физики. Во всех этих трех больших направлениях мы и проводим эксперименты.
- Расскажете о каком-нибудь удавшемся эксперименте?
- Часть моих учеников работают в Сингапуре. Сингапур — это «квантовый остров». Там в свое время была такая проблема - профицит бюджета, и они решили часть денег направить на развитие квантовых технологий. Они создали огромный квантовый центр, просто феноменальный, там рай для ученых, как минимум из-за наличия кондиционеров. Действительно, в этом Центре все сделано очень хорошо для ученых, даже чересчур хорошо. Правительство всячески стимулирует внедрение инноваций, например, что-то полезное для народного хозяйства из области квантовых технологий. И вот, пришли представительницы одной из компаний с проблемой контроля стока нечистот в океан. Попросили предложить какой-то инновационный прибор, который бы контролировал содержание аммиака в сбросах. А мы еще в конце прошлого века делали базовые эксперименты по квантовой интерференции света, и думали, куда бы их пристроить. А тут оказалось, что можно с помощью эффекта квантовой интерференции контролировать содержание какого-нибудь газа в заданном объеме. Буквально вертолет летит над какой-нибудь трубой, где утечка газа есть, и регистрирует избыток газа в воздухе, в том числе, аммиака. Мы сделали патент. Никто не думал, что этот эксперимент будет доведен до продукта.
- Первая в России университетская квантовая сеть была создана в МГУ в 2018 году исходя из ваших исследований. Первым и, наверное, главным этапом этой разработки было создание квантового телефона, с чем вы с коллегами успешно справились. Какие изменения и новшества были внесены в квантовую сеть за эти годы?
- Сначала не было никакого квантового телефона. Сначала было устройство, которое позволяло передавать ключи шифрования между двумя точками, например, в пределах кампуса университета. Затем мы протянули волокно, связали четыре узла —наш центр, на физфак, в кабинет Виктора Антоновича и в еще одно место, не буду говорить какое. Потом мы поняли, что в таком виде в университете это никому не нужно. Поэтому мы придумали такое устройство, которое условно назвали «квантовый телефон». По началу шифровалась просто оцифрованная речь человека, превращаясь в нолики и единички, а защита обеспечивалась квантовыми ключами. А дальше эта технология стала развиваться, сейчас университетская квантовая сеть уже имеет товарный знак, в ней больше 20 абонентов, большинство здесь, на Ленгорах, и еще два на Моховой- на психфаке и на журфаке. У Елены Леонидовны Вартановой (декана факультета журналистики, академика РАО - прим. ред.) стоит такой телефон.
В квантовой сети данные передаются голосом, но сейчас мы переходим в видеоформат, можно будет проводить видеосовещания, можно файлы передавать, как в мессенджере. Мы не тратили время на пиар в СМИ, мы просто делали это устройство с одной из ведущих в РФ айти компанией, которая уже производит это оборудование серийным образом. А если это средство связи, то должен быть сертификат Регулятора. Тут несложно догадаться, кто является Регулятором. Догадываетесь? Система связи… Без их одобрения такие системы невозможно производить.
Сейчас компания РЖД занимается по поручению правительства как раз квантовыми коммуникациями, и один из проектов — построение магистральных квантовых сетей, которые связывают удаленные города: Москва, Питер, Нижний Новгород, Казань, Челябинск, Сочи и др. Это такие магистральные линии. А чем они хороши, так это тем, что в каждом узле этой линии можно присоединить локальную квантовую сеть как у нас в университете. Тем самым мы связываем каждого абонента локальной сети с каждым абонентом другой локальной сети, который находится в другом месте. Основная ценность таких проектов — это демонстрация возможностей, привлечение индустриальных партнеров, ну и, конечно, обеспечение учебных целей.
- В рамках проекта «Физфак 2.0» сейчас идет строительство нового здания физфака. Как известно, в новом кампусе запланировано большое помещение под квантовые разработки. Ранее вы называли три качества лаборатории мирового уровня: это научная тематика, оборудование и коллектив. Каковы ваши ожидания от новой лаборатории и можно ли будет назвать ее мировой?
- Мировой она, конечно, будет, потому что она уже мировая, мы от этого никуда не денемся. Мы давно в этой науке и в этом бизнесе, у нас высокие рейтинги. Всего, чего мы ждем пока от этого здания, — чтобы его построили, потому что проект сейчас на стадии согласования. Надо пока работать с тем, что есть.
- Какие проекты готовит Центр квантовых технологий к 270-летию Московского университета?
- Завтра мы встречаемся как раз с Виктором Антоновичем (Садовничим, ректором МГУ, академиком РАН - прим. ред.), мы обсуждаем амбициозный и очень дорогой проект, который называется «Космическая квантовая коммуникация». МГУ сделает по заказу РЖД низкоорбитальный спутник, с орбитой порядка 400-600 километров, малого формата, объемом примерно 20 литров. Его выведут на орбиту, а на Земле в рамках этого проекта будет построено несколько терминалов. Для нас это очень ответственный и знаковый проект.
На выходе и кабинета Сергея Павловича на столе стоит тот самый квантовый телефон. Он представляет из себя стационарное устройство со встроенным планшетом и трубкой, по которой ведется разговор. Абоненты сети — деканы нескольких факультетов МГУ, в том числе, Елена Леонидовна Вартанова, декан факультета журналистики.
Идем через коридор и спускаемся по лестнице на нижний этаж. Там за стеклянной дверью, за которую можно зайти только по пропуску и в сменной обуви, располагается лаборатория Центра квантовых технологий.
©Екатерина Молчанова / Журналист Online
В этой лаборатории сотрудники центра проводят эксперименты в различных областях квантовой физики, которые перечислял Сергей Павлович. Окон здесь нет, это подвальное помещение, но зато есть свежий ремонт, тишина и вся необходимая техника — то, что нужно для плодотворной научной деятельности. Заходим в комнату, где работают над созданием квантового компьютера. Станислав Страупе, руководитель центра квантовых вычислений, делится особенностями и идеями своей деятельности.
- Идея в том, чтобы информацию копировать в состояние квантовых систем. Это позволяет использовать некоторые новые классы алгоритмов и часть задач, которые для классического компьютера очень сложные вычислительно, делать более простой. Придумали это люди довольно давно, а делать начали примерно 15 лет назад, чтобы красиво реализовать эту идею. Мы тоже пытаемся это сделать. У нас в качестве фундаментальных квантовых систем, в которых копится информация, выступают одиночные атомы.
Вот это модель орбитальной станции наизнанку, как я ее называю. Это вакуумная камера. Почему наизнанку, потому что в орбитальной станции снаружи космос, а здесь наоборот. Там внутри пустота, то есть вакуум, причем он сильно лучше чем в космическом пространстве около Земли, тут совсем пусто. В эту камеру мы контролируемым образом запускаем атомы рубидия, которые потом захватываем в оптический пинцет. Оптический пинцет — это сфокусированный лазерный луч, который может в точке фокусировки удерживать микрообъекты. Далее одиночный атом используется как носитель информации, мы собираем из них упорядоченную структуру и получается такой регистр памяти, который может делать вычисления. Большая часть того, что здесь есть, это лазерная система, которая может захватывать отдельные атомы. Сначала они охлаждаются лазером, то есть их тепловое движение останавливается, и после этого их уже можно использовать.
В лаборатории работает около 100 сотрудников в нескольких отделах: одноэлектронные системы, нелинейная нанофотоника, квантовые вычисления и квантовая криптография. Лабораторию центра действительно можно назвать мировой: здесь находятся сложнейшие механизмы, на которыми работает команда профессионалов. Ближайший масштабный проект Центра квантовых технологий будет направлен на выведение низкоорбитального квантового спутника в космос, чего ждет не только физфак, но и весь Московский университет.
