Возвращение квантовой диаспоры

Российский квантовый центр закрепил достойное место для России во второй квантовой революции. Это стало возможным благодаря совместным усилиям выпускников МФТИ, ставших выдающимися учеными и предпринимателями, и помощи государства

Во второй половине ХХ века человеческая цивилизация испытала мощный синергетический эффект от внедрения технологий, созданных благодаря первой квантовой революции.

Большинство ранних квантовых технологий, получивших распространение в прошлом столетии, основывалось на использовании специфических квантовых свойств достаточно больших (макроскопических) физических объектов. Среди наиболее значимых технологий такого рода можно назвать сверхпроводящие магниты и квантовые оптические генераторы, туннельные микроскопы и сверхточные магнетометры.

Самыми же массовыми производными продуктами этой первой квантовой волны стали ядерные и лазерные технологии, а также, разумеется, микроэлектроника, обеспечившая колоссальный успех новой IT-индустрии.

При этом так удачно сложилось, что в Советском Союзе уже к середине прошлого века сформировались очень сильные научные школы в области квантовых исследований и не менее мощная система фундаментального физического образования. И, как известно, львиная доля нобелевских премий, полученных советскими учеными, была присуждена именно за теоретические исследования и практические разработки в области квантовой физики.

Однако после распада СССР значительная часть ведущих отечественных специалистов, а также наиболее талантливых молодых исследователей в области квантовой физики и квантовых технологий переехала в зарубежные научные центры и университеты. Впрочем, хотя этот отток мозгов привел к потере Россией многих научно-технологических наработок отечественной квантовой школы, по оценкам научных аналитиков, в настоящее время примерно треть авторов наиболее цитируемых в мире публикаций в области квантовой физики имеет российское (советское) происхождение, и многие из них до сих пор сохраняют российское гражданство.

В конце прошлого десятилетия два наиболее ярких представителя этой новой российской квантовой диаспоры, профессора престижного Гарвардского университета Михаил Лукин и Евгений Демлер (оба выпускники подмосковного МФТИ), загорелись идеей создания в России мощного исследовательского центра, который смог бы эффективно стимулировать ускоренный рост молодых научно-технологических кадров в области квантовой физики внутри нашей страны, а также возвращение на родину ведущих ее представителей, работающих за рубежом. Третьим ключевым участником этого амбициозного проекта стал известный российский венчурный предприниматель, также выпускник МФТИ Сергей Белоусов.

После того как удалось заручиться поддержкой друзей и коллег (как в научном, так и в бизнес-сообществе), 23 января 2011 года было принято официальное решение о создании Российского квантового центра (РКЦ).

Физтехи и государство скинулись

Время для запуска РКЦ его отцами-основателями было выбрано весьма удачно: несмотря на то, что уже не за горами вторая квантовая революция, наступление которой связывают прежде всего с быстрым прогрессом в области создания разнообразных приборов и устройств, основанных на «ручном управлении» квантовыми состояниями отдельных микрочастиц и построенных из них сложных искусственных систем, достаточно подробно описанные теоретиками самые мощные квантовые эффекты (такие как согласованность, когерентность и запутанность) до сих пор практически не используются в технологических приложениях.

Иными словами, определенный временной резерв для ускоренной концентрации человеческих и финансовых ресурсов на этом важнейшем научно-технологическом фронте XXI века у России еще сохраняется.

Как отметил в интервью «Эксперту» генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов, «в то время как в области теоретической квантовой физики мы по-прежнему почти не отстаем от стран — мировых лидеров, по части конкретных, прикладных технологий, к сожалению, картина куда менее радужная. Собственно, одна из генеральных задач РКЦ и состоит в том, чтобы попытаться наконец построить в России крепкий мостик между квантовой теорией и практикой».

В свою очередь, по словам Михаила Лукина, «наша основная идея сегодня заключается в том, чтобы на базе центра получить в скором будущем продуктивную экосистему, вокруг которой начнут создаваться многочисленные стартапы».

Впрочем, начальная фаза становления РКЦ несколько подзатянулась — первые полтора-два года проект фактически существовал лишь на бумаге и в головах его главных идеологов.

Мощным катализатором для дальнейшего раскручивания маховика стало налаживание тесных контактов с фондом развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (фонд «Сколково»): в сентябре 2012 года офис РКЦ переехал из небольшого помещения в Москве на территорию инновационного центра Сколково, а в декабре того же года РКЦ получил главный пятилетний грант на общую сумму 1,3 млрд рублей, из которых две трети были выделены фондом «Сколково».

Еще одну треть составила доля частных соинвесторов, главными из которых на первом этапе стали Сергей Белоусов и глава Евразхолдинга Александр Абрамов (еще один выпускник МФТИ, внесший заметный вклад в процесс становления РКЦ).

Бюджет первого года финансирования РКЦ превысил 200 млн рублей. Обзаведясь подъемными, центр в 2013–2014 годах стал развиваться ударными темпами, превратившись к настоящему времени в крупнейшего резидента Сколкова.

Уже к осени прошлого года при РКЦ действовали шесть научно-исследовательских групп общей численностью около 70 человек. Правда, на первых порах (пока строились собственные исследовательские лаборатории в Сколкове) все эксперименты проводились на территории организаций — партнеров РКЦ (МГУ, ФИАН, Институт физики твердого тела в Черноголовке; на подходе и новая лаборатория в МФТИ).

Первые три лаборатории в здании РКЦ в Сколкове были официально открыты в декабре 2013-го, но на самом деле исследователи стали активно работать в них еще летом того же года. За первое полугодие 2014 года общее число действующих научных групп в РКЦ выросло с шести до десяти, а на осень 2014-го запланировано открытие еще двух собственных «сколковских» лабораторий.

Помимо мегагранта от Сколкова, срок действия которого истекает в 2017 году, другой важнейший механизм финансирования, в соответствии с которым РКЦ планирует активно работать, — исследовательские гранты. По словам Руслана Юнусова, «в ближайшие годы центр рассчитывает получить дополнительные гранты со стороны РНФ (Российского научного фонда), а также, возможно, еще и по линии Минобразования и Минсвязи. Кроме того, есть надежда и на заказы со стороны Минобороны, в том числе через недавно созданный Фонд перспективных исследований, поскольку целый ряд наших научных направлений, безусловно, представляет для военных немалый интерес (например, квантовая криптография или различные интерфейсы для передачи данных в СВЧ-диапазоне)».

Помимо этого, РКЦ периодически удается привлекать кое-какие дополнительные средства благодаря организации ряда специальных мероприятий. Так, была проведена совместная научная школа со Сколтехом, за которую РКЦ получил от последнего определенное вознаграждение. Другой пример того же рода — организация раз в два года международных научных конференций по квантовым технологиям, для которых были в том числе привлечены деньги от РВК и правительства Москвы.

И конечно же, архитекторы РКЦ очень рассчитывают на то, что долгосрочную стабильность их проекта в дальнейшем будет гарантировать крупный частный эндаумент, фонд целевого капитала. Общая схема его работы достаточно традиционна (по западным меркам): происходит первоначальный сбор частных пожертвований и создается управляющая компания, которая в дальнейшем получает проценты с этих пожертвований, на которые, в свою очередь, осуществляет дополнительную финансовую поддержку проводимых в центре исследований.

Таблица: Научные группы и лаборатории РКЦ

Жесткий график

Что же касается самого процесса создания новых научно-исследовательских подразделений в РКЦ, он выглядит примерно следующим образом. Исходя из общей суммы, заложенной в бюджет, члены попечительского совета РКЦ делают первоначальную прикидку того, работу скольких теоретических и экспериментальных групп в состоянии оплачивать центр. Далее объявляется международный конкурс по обозначенным РКЦ научным темам, и все желающие подают заявки, в которых подробно описывают, чем бы они хотели заниматься в рамках этого перечня научных направлений.

«Мы не ограничиваем (по крайней мере пока) набор этих направлений какими-то жестко обозначенными технологиями или теоретическими проблемами: нами задается общая канва (исследования в области квантовых технологий, квантовой информатики, нелинейной оптики и так далее; в общем, все то, что можно отнести к квантовой физике), а дальше мы рассматриваем поданные заявки и определяем шорт-лист кандидатов (как иностранных специалистов, так и наших ученых). После формирования такого шорт-листа проводятся индивидуальные собеседования, в ходе которых нами иногда делаются предложения немного пересмотреть, подкорректировать обозначенную в заявках исследовательскую тематику. По итогам этих собеседований происходит окончательный выбор победителей, которые затем информируются о выделенном для них бюджете, точнее, потолке финансирования, в пределах которого они могут осуществлять свои исследования», — рассказывает Руслан Юнусов.

В таких групповых бюджетах, естественно, отдельными строками прописываются расходы на закупку необходимого оборудования, размеры зарплат отдельных сотрудников, групповой зарплатный бюджет, а также расходы на поездки и командировки. Все это, по большому счету, — стандартная мировая практика организации финансирования научных исследований, хотя для России она пока еще нетипична.

Далее руководители этих новых исследовательских групп сами отвечают за свой бюджет, а равно и за достижение заявленных результатов. При этом следует признать, что используемая в РКЦ схема отличается повышенной жесткостью, поскольку по истечении срока финансирования группы (проекта) ее руководитель должен продемонстрировать ожидавшиеся от него и его сотрудников промежуточные итоги работы. И если таких результатов нет, то дальнейшее финансирование ему и его команде перекрывается. Более того, он сильно рискует оказаться в черном списке не только у РКЦ, но и в других научно-исследовательских организациях мира: поскольку сфера научных исследований РКЦ достаточно узка, все друг друга хорошо знают; плюс к этому не следует забывать, что в состав Международного консультативного совета (МКС) центра, осуществляющего общий мониторинг и оценку его научной деятельности, входят многие признанные мировые авторитеты в области квантовой физики.

Именно согласно рекомендациям Международного консультативного совета определяются победители конкурса, а попечительский совет РКЦ, как правило, лишь утверждает эти предложения МКС (по крайней мере, по словам Юнусова, до сих пор каких-либо расхождений во мнениях членов консультативного и попечительского советов в РКЦ еще не было).

При этом, как уточняет Руслан Юнусов, «итоговый выбор МКС — это только выбор руководителя нового проекта, а дальше уже сам новый руководитель волен по своему усмотрению набирать команду для работы, исходя, конечно, из того общего объема бюджета, который ему выделен. И то, сколько людей он привлечет к своему проекту и сколько они будут получать денег, — это уже его решение. Понятно, что каждый руководитель проекта принимает такие решения исходя из своего собственного видения конкретной проблематики (поставленной задачи), и он может, скажем, набрать большее количество сотрудников за меньшую среднюю зарплату или, наоборот, создать небольшой коллектив с высокими зарплатами. Многие утвержденные нами лидеры научных проектов приходили с уже заранее собранной командой или привлекали тех людей, с которыми до этого активно сотрудничали по другим проектам. Но есть и обратные примеры: скажем, Александр Львовский (руководитель группы квантовой оптики) фактически набирал сотрудников для своей группы в РКЦ с нуля, и найденные им молодые ребята оказались очень сильными и талантливыми».

Есть и еще один специфический момент, связанный с тем, что вокруг Сколкова, к сожалению, в целом сложился весьма негативный фон, поэтому у руководства РКЦ просто нет лишнего времени на раскачку. Нужно как можно раньше показать, что выделенные для развития центра большие деньги уходят не «куда-то налево», а вкладываются в конкретные проекты, новые приборы, инструменты и т. д. Это определяет повышенные требования к соблюдению графиков начала экспериментальных работ новыми исследовательскими группами (на теоретиков, разумеется, они не распространяются), согласно которым, как правило, уже примерно через год должны быть запущены конкретные лабораторные исследования. Иными словами, по этой ускоренной схеме в течение первого же года осуществляется закупка всего необходимого оборудования и строится сама лаборатория. Картина, прямо скажем, крайне нетипичная для России, но до сих пор топ-менеджеры РКЦ умудрялись четко укладываться в этот сверхжесткий график; более того, ряд новых лабораторий в Сколкове был даже запущен намного раньше первоначально заявленных сроков.

Многоканальные военные детекторы

Руководство центра предпринимает большие усилия и для того, чтобы успешно решить другую важнейшую стратегическую задачу — ускорение процесса доводки перспективных научных идей до стадии коммерческих продуктов.

Так, весной этого года Руслан Юнусов и его коллеги подготовили специальную программу-презентацию, в которой обозначили примерные временные горизонты для наиболее интересных проектов РКЦ с точки зрения их возможной коммерциализации (причем именно в ближайшее время, а не в пресловутой «отдаленной перспективе»). Иными словами, речь идет о тех направлениях, по которым уже через два-три года вполне можно будет запускать реальные коммерческие стартапы.

В общей сложности в данной презентации были выделены 12 таких перспективных проектов, причем не менее трети из них представляют собой технологии двойного назначения (с очевидной ориентацией на заказчиков из военных ведомств).

Один из таких проектов, который уже запущен, — разработка сверхчувствительных фотодетекторов. Как отметил Руслан Юнусов, «по сути, мы пытаемся сделать следующее поколение военных детекторов, которые смогут хорошо работать многоканально (эти технологии в принципе известны, но именно при многоканальности все еще сохраняется ряд технических проблем). В течение ближайших полутора лет мы рассчитываем создать инженерный образец такого детектора, который можно будет затем запускать в серийное производство.

Этим проектом занимается группа специалистов из ФИАНа, которые работают вместе с Алексеем Акимовым. Они не входят непосредственно в его научную группу, но давно сотрудничают с нами.

Весь техпроцесс у нас уже промоделирован и отработан, в настоящее время идут переговоры по размещению первого заказа. Есть, впрочем, и другие, “гражданские” возможности практического применения этих фотодетекторов, одна из самых очевидных — медицинская томография».

Второй проект, который в РКЦ тоже на подходе, — разработки группы Владимира Белотелова по сверхчувствительным магнитным сенсорам.

Как объясняет Руслан Юнусов, «в данном случае мы изначально ориентируемся на один конкретный рынок, который уже существует. Этот рынок — магнитная кардиотомография, пока довольно маленький, поскольку “девайсы” на нем очень дорогие. В чем суть этой технологии? Вместо обычной кардиограммы снимается магнитограмма работы сердца, для которой нужны очень чувствительные датчики, разработкой которых, в свою очередь, занимается группа Алексея Устинова. В идеале себестоимость этих датчиков будет заметно ниже, чем у традиционных аналогов. И вполне возможно, что благодаря этим датчикам нам удастся серьезно расшевелить рынок, потому что сама потребность в них существует, но текущая стоимость приборов, порядка миллиона евро, сильно ограничивает спрос».

Два описанных выше проекта, по оценкам Юнусова, можно достаточно уверенно отнести к категории «близкие к практической реализации», поскольку есть почти готовые технологии и понимание того, где они могут быть востребованы.

Кроме того, у группы Белотелова есть еще один перспективный проект по спинтронике — так называемые спиновые диоды. Это абсолютно новое направление с вполне осязаемыми коммерческими перспективами, однако до конечной, практической стадии здесь чуть дальше, чем у предыдущих двух проектов. В принципе прототипы таких спиновых диодов специалистами РКЦ уже получены. По характеристикам они не уступают стандартным полупроводниковым диодам, но далее необходимо доводить технологию до стадии «готовых девайсов».

У большинства остальных проектов, представленных в топ-списке РКЦ, предположительное время доводки до конечной стадии несколько большее. Однако при удачном стечении обстоятельств и они могут быть успешно коммерциализированы через три-пять лет.

Основная загвоздка для этой группы проектов, по словам Руслана Юнусова, не технологическая незрелость, а недостаточная проработка возможных рынков сбыта, — в целом ряде случаев они пока выглядят слишком маленькими для того, чтобы начинать активно заниматься доводкой технологий.

Орел и решка со светом

Особо следует упомянуть об очень интересном проекте группы Александра Львовского, который недавно успешно сконструировал так называемый балансный детектор.

Вот как описывает его сам создатель: «На самом деле это довольно простое устройство: свет попадает на светоделитель, где разделяется пополам и затем детектируется двумя фотодиодами. В итоге фототок этих диодов вычитается друг из друга. Казалось бы, конечный результат этой простой математической операции должен быть нулевым (по крайней мере в классической физической теории), однако в квантовом мире ноль — это далеко не обязательный результат, потому что свет состоит из фотонов, а каждый фотон с вероятностью 50 на 50 проходит через светоделитель или отражается от него. То есть происходит такая квантовая игра в орла и решку, в которой, понятное дело, точного совпадения суммы обеих возможных результатов достичь практически невозможно. Будет всегда получаться какая-то ненулевая, случайная разница. И отсюда возникла простая идея: сделать на основе такого балансного детектора универсальный генератор случайных чисел. Кстати, это очень полезное устройство, которое есть в каждом современном мобильном телефоне, смартфоне и других электронных гаджетах.

Дело в том, что те генераторы, которые стоят в мобильниках, — это на самом деле псевдослучайные генераторы, поскольку они используют те или иные математические операции. В случае же с квантовым детектором генерируются фундаментально случайные числа, так как итоговый результат всякий раз абсолютно непредсказуем.

Балансный детектор можно использовать и для детектирования очень слабых полей. У его светоделителя два входных и два выходных канала, и если во второй входной канал направить некий крайне слабый сигнал, на уровне одного фотона, этот сигнал в итоге очень заметно изменит вычисляемую разницу значений двух фототоков. Простой пример использования в данном случае — классические (неквантовые) коммуникационные линии. Сегодня для них, как правило, используются волоконно-оптические кабели, но волокно проложить можно далеко не везде: например, трудно это сделать в высокогорье или, скажем, в зоне ведения боевых действий. Поэтому иногда приходится использовать коммуникации по открытому пространству: с одной стороны включается лазер, а с другой — приемник света. Понятно, что добиться четкой фиксации лазерного сигнала приемником далеко не просто, особенно если речь идет о приличных расстояниях между точкой его отправки и приема. И здесь (опять-таки в теории) может очень помочь наш балансный детектор, который будет четко фиксировать даже самые слабые сигналы от лазера».

Однако, как отмечает уже Руслан Юнусов, у этого замечательного прибора Львовского есть пока несколько недостатков, тормозящих его ускоренную доводку до стадии коммерческого прототипа. Самый, пожалуй, серьезный из них — его нынешний размер: «Условно говоря, вместо нынешних размеров этого детектора пять на пять сантиметров нужно сделать вариант пять на пять миллиметров, чтобы полностью разместить его на чипе, и тогда уже можно будет его куда-то интегрировать. Плюс еще он должен стоить один доллар! И вот тогда объем рынка для таких детекторов будет миллиардным, поскольку можно будет оснастить ими миллиард мобильных девайсов».

Наконец, еще один проект «комплексного характера» — в области квантовой криптографии: специалисты РКЦ всерьез рассматривают возможность создания криптографических устройств полностью российского производства и с российской IP (то есть с отечественными софтом и «железом»). Такой продукт, в случае его успешного создания, однозначно будет обладать двойным применением и, без сомнений, заинтересует российские военные ведомства.

Перечислять все перспективные проекты РКЦ, имеющие реальный коммерческий потенциал, мы, разумеется, не станем, однако назовем «в телеграфном режиме» несколько наиболее любопытных идей и разработок, находящихся на разных стадиях практической реализации. В их числе: разработка нового поколения твердотельных счетчиков фотонов (SSPD; Superconducting Single Photon Detector), целый блок различных проектов по созданию источников одиночных фотонов (этим направлением, в частности, независимо друг от друга занимаются группы Александра Львовского и Алексея Акимова); весьма интересным может оказаться проект по созданию сверхмощного инфракрасного лазера, реализуемый группой Алексея Желтикова.

Все представленные в спецпрезентации РКЦ проекты имеют (или могут иметь) конкретный прикладной выход в ближайшем будущем. Поэтому в перечне нет, например, задачи создания того же квантового компьютера (пресловутого «священного Грааля» в области квантовых вычислений, который, по большому счету, является пока одной из наиболее отдаленных по времени практической реализацией квантовых технологий). Не упоминаются в ней также квантовые симуляторы, поскольку и у них все-таки более далекий временной горизонт практического применения; кроме того, по признанию Руслана Юнусова, эта технология еще пока не доведена в РКЦ до той стадии, когда можно было бы использовать такой симулятор для моделирования реальных материалов.

Практическая заточенность даже самых фундаментальных проектов РКЦ говорит о том, что на наших глазах появляется новая форма организации научных исследований, ориентирующихся не только на господдержку, но и на частный интерес. Если бы этот пока уникальный опыт удалось повторить еще по нескольким «горячим» направлениям НТП, Россия могла бы рассчитывать в недалеком будущем на роль полноправного участника мировой технологической гонки. Тем более что потенциал нашей научной и предпринимательской диаспоры далеко не исчерпан.

Тигран Оганесян