​Дом для квантов: как работает Российский квантовый центр

В 2019 году была утверждена пятилетняя дорожная карта развития квантовых технологий в России. Значительный вклад в создание этого документа внес Российский квантовый центр, который занимается научными разработками в этой сфере и их коммерциализацией. Корреспонденты портала "Будущее России. Национальные проекты" побывали в штаб-квартире центра, а оттуда попытались проникнуть в квантовое будущее.

Российский квантовый центр (РКЦ) был создан в конце 2010 года для развития в России квантовых технологий и стал одним из первых резидентов "Сколково". Идея его основания принадлежит трем выпускникам МФТИ: предпринимателю и венчурному инвестору Сергею Белоусову, а также известным физикам, профессорам Гарвардского университета Михаилу Лукину и Евгению Демлеру.

Центр ведет свою деятельность в основном за счет грантов и инвестиций партнеров, в частности фонда "Сколково" и Газпромбанка, которому принадлежит доля 47,5% в уставном капитале РКЦ. Генеральный директор центра — кандидат физико-математических наук Руслан Юнусов.

РКЦ позиционируется как научно-исследовательское учреждение нового для России типа, работу которого совместно курируют как ведущие ученые, так и руководители высокотехнологичных компаний. Набор научных сотрудников центра ведет независимый международный консультационный совет.

Сейчас РКЦ объединяет в себе 14 научных групп и семь спин-оффов (компании, созданные для развития коммерческого применения тех или иных разработок). Всего в центре трудятся 250 специалистов, средний возраст которых составляет 35 лет. В 2018 году сотрудники РКЦ опубликовали более 20% всех российских статей по физике в престижных журналах Nature, Science и Reviews of Modern Physics.

В 2019 году РКЦ переехал в специально созданный для него комплекс помещений в инновационном центре "Сколково" площадью 4,3 тыс. кв. м, что в три раза больше предыдущей временной квартиры организации. И именно на новом месте удалось побывать корреспондентам портала.

От теории к практике

Нам показали три лаборатории РКЦ. Перед экскурсией руководитель группы квантовых информационных технологий центра Алексей Федоров ознакомил нас с устройствами квантовых коммуникаций (квантовая криптография или квантовое распределение ключей), разработкой которых занимается компания "КуРэйт", флагманский спин-офф РКЦ.

Квантовая криптография — это новый подход к обеспечению безопасности информации на основе принципов квантовой физики, когда формируются идентичные ключи шифрования, известные только легитимным пользователям. Что же для этого нужно?

Устройства компании "КуРэйт" представляют собой два достаточно больших черных ящика, соединенных обычным оптоволоконным кабелем. В квантовой криптографии информация шифруется в квантовые состояния. Это означает следующее: при приготовлении квантовой частицы света (фотона) с помощью, например, ослабленного импульса лазера в параметры квантовой частицы, такие как поляризация или фаза (ведь свет представляет собой электромагнитную волну), кодируются определенные значения. Этот процесс происходит в одном из устройств, при этом другое проводит измерения этого квантового состояния.

В результате такого взаимодействия формируется ключ шифрования данных, стойкость которого обеспечена законами физики. Дело в том, что с появлением квантовых компьютеров современная асимметричная криптография, которая повсеместно используется для защиты данных, в том числе в интернете, не сможет обеспечить необходимый уровень защиты, поэтому квантовая криптография уже сегодня должна применяться теми, кому важна долгосрочная конфиденциальность, — банками, корпорациями, правительствами.

Как отмечается в отчете центра за 2017–2019 годы, в прошлом году "КуРэйт" начала уже серийное производство установок квантовой криптографии, после того как успешно провела испытания своего оборудования в сетях Гапромбанка, Сбербанка и "Ростелекома".

Более подробно о квантовой криптографии можно прочесть в нашей статье.

Федоров рассказал, что спин-офф QAPP, которым он руководит, разрабатывает квантово защищенные алгоритмы, которые также способны обезопасить от атак квантовых компьютеров. Компания создала специальную библиотеку квантово защищенных алгоритмов, которая может быть встроена в любые решения по обеспечению информационной безопасности данных, например финансовых или медицинских.

Еще одной разработкой, которую нам удалось увидеть, стал сверхчувствительный сенсор магнитного поля на основе феррит-гранатовых (магнитный диэлектрик с уникальными свойствами) пленок, который создала дочерняя компания РКЦ — ООО "М-Гранат". Собранные на основе таких сенсоров магнитометры можно, например, использовать в медицинской диагностике, проводя измерения магнитного сигнала от сердца (как взрослого человека, так и плода в утробе матери), мозга. Такие исследования позволяют обнаруживать отклонения в работе органа на ранней стадии и более точно ставить диагноз. Кроме того, с их помощью можно с высокой точностью детектировать магнитные нанометки для локализации раковых опухолей, что значительно упрощает диагностирование.

В лаборатории спин-оффа Dephan его технический директор Евгений Левин рассказал и показал, как выглядит высокочувствительный твердотельный фотоумножитель нового поколения с расширенным динамическим диапазоном, высоким быстродействием и низким уровнем собственных шумов, который создала компания. В 2018 году компания изготовила инженерные образцы для различных областей применения.

В частности, изобретение может использоваться в лидарах — специальных устройствах, определяющих расстояние до возможного препятствия и позволяющих беспилотным автомобилям и дронам успешно передвигаться в пространстве. Оно также может найти применение в медицинской визуализации (позитронно-эмиссионная томография, гамма-камеры), 3D-визуализации, ядерной физике и так далее. Изобретение уже запатентовано по всему миру, отличается от аналогов лучшими техническими характеристиками и намного более доступной ценой.

Роботы и кванты

Лаборатория когерентной микрооптики и радиофотоники в первую очередь специализируется на исследовании различных эффектов в микрорезонаторах и ищет этому практическое применение. Например, такие эффекты могут использоваться в спектроскопии биологических веществ, в частности глюкозы.

Сейчас подобные установки достаточно сложны и громоздки, а в будущем благодаря квантовым технологиям могут стать компактными и даже устанавливаться на носимых устройствах, чтобы каждый человек мог быстро проверить состояние своего здоровья. Другая сфера применения — передача данных в оптоволоконных телекоммуникационных сетях на рекордных скоростях: не сотнях гигабайт, как сейчас, а сотнях терабайт.

Напоследок мы посетили лабораторию квантовой оптики, которая известна во всем мире благодаря своим исследованиям необычных квантовых состояний света. Это и квантовая телепортация (передача на расстояние состояния кванта), и оптические коты Шредингера (воспроизведение мысленного эксперимента одного из создателей квантовой механики Эрвина Шредингера в реальных условиях). Сейчас сотрудники лаборатории сфокусированы на том, чтобы совместить робототехнику и квантовые вычисления и, например, проводят эксперименты, часть которых контролируется искусственным интеллектом.

Алексей Федоров уверен, что принятие в 2019 году дорожной карты развития квантовых технологий в России для нацпроекта "Цифровая экономика" стало знаковым событием, которое позволит еще более активно идти вперед не только РКЦ, но и всей отечественной отрасли в целом. Это важно для того, чтобы Россия могла успешно конкурировать в мировой квантовой гонке.