Стратегический технологический проект направлен на создание условий для ускорения перехода результатов исследований и разработок в технологические инновации с высоким коммерческим потенциалом и значительным влиянием на экономику и индустрию, а также на формирование эффективной системы подготовки кадров для отрасли квантовых технологий.
Стратегический технологический проект неразрывно связан с переходом к новым системам обработки данных (Приоритет по Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации), с обеспечением безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации (одна из ключевых ценностей-ориентиров согласно Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года), реализацией Национального проекта «Экономика данных».
Одна из ключевых задач проекта — подготовка высококвалифицированных специалистов-физиков и квантовых инженеров для удовлетворения растущего спроса и достижения высокого уровня кадровой безопасности формирующейся отрасли квантовых технологий в Российской Федерации.
Стратегический технологический проект находится в авангарде второй квантовой революции, закрепляя лидирующую роль НИТУ МИСИС в квантовых вычислениях, сенсорах и коммуникациях.
Цель проекта
Содействие формированию отрасли квантовых технологий в Российской федерации и создание условий для перехода квантовых разработок из лабораторий в индустрию.
Руководитель стратегического проекта
Устинов Алексей Валентинович
Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС, научный руководитель группы «Сверхпроводниковые квантовые схемы» в РКЦ, профессор Физического института Технологического университета Карлсруэ в Германии.
Достижения СТП с 2021 года
Для содействия формированию в России конкурентной индустрии квантовых технологий и удовлетворения спроса на высококвалифицированных специалистов для квантовой отрасли в структуре Университета создан Институт физики и квантовой инженерии.
Создан первый в России универсальный масштабируемый квантовый процессор на основе сверхпроводниковых кубитов-трансмонов. Выполнены первые эксперименты по детектированию квантовых ошибок. Реализован функционал облачного доступа к квантовому процессору. На квантовом процессоре выполнен пилотный проект по реализации оптимизационного квантового алгоритма для нефтегазового сектора.
В НИТУ МИСИС продемонстрирована рекордная точность однокубитных операций на кубитах-флаксониумах — более эффективных для построения универсальных масштабируемых квантовых процессоров с точки зрения устойчивости и точности операций — свыше 99,993%, закрепив международное лидерство НИТУ МИСИС в области квантовых вычислений на основе сверхпроводниковых кубитов.
Создан первый в России трехкубитный квантовый процессор на основе кубитов-флаксониумов. Впервые экспериментально реализована трехкубитная квантовая операция на сверхпроводниковом квантовом процессоре.
Проведен первый совместный эксперимент России с Китаем по передаче данных через спутниковый канал с квантовой защитой на расстояние более 3500 км. Выполнен обмен закодированными изображениями размером 256×64 пикселей между наземными станциями в Звенигороде и в Наньшане. Демонстрация технологии спутниковых квантовых коммуникаций на международном масштабе не только укрепляет позиции России в квантовой гонке, но и открывает практический путь к внедрению новых технологий защиты данных.
Разработан малый космический аппарат «Импульс-1» размерности 6U CubeSat для прикладных исследовательских задач. 26 июня 2023 года МКА запущен с Космодрома «Восточный» в составе кластера МКА «УниверСат-2023». На орбите протестированы отдельные элементы спутниковой системы квантового распределения ключа.
Реализуемые проекты
В рамках СПТ будут реализованы три взаимосвязанных подпроекта:
Квантовые вычисления
Проект направлен на разработку компонентной базы квантовых вычислений и практическую реализацию квантовых алгоритмов на современных шумных квантовых процессорах с ограниченным числом кубитов (NISQ-устройствах). Основная задача заключается в преодолении ключевых барьеров, препятствующих использованию квантовых вычислений в индустриальных приложениях.
- Масштабируемая архитектура квантового процессора на основе сверхпроводниковых кубитов и прототип квантового вычислителя для решения прикладных задач.
- Альтернативная архитектура сверхпроводниковых квантовых процессоров — кубиты-флаксониумы, более эффективные для построения универсальных масштабируемых квантовых процессоров с точки зрения устойчивости и точности операций.
- Технологические методы изготовления наноразмерных элементов сверхпроводниковых квантовых устройств на базе технологической зоны НИТУ МИСИС;
- Разработка и реализация квантовых алгоритмов.
- Параметрические усилители СВЧ сигнала для считывания сигналов разного рода: от реликтового космического излучения до одиночных фотонов в квантовозащищенных системах связи.
Квантовые сенсоры
Проект направлен на разработку востребованных на рынке устройств квантовой сенсорики с рекордными характеристиками и раскрытие потенциала отечественной сенсорной технологии путем создания уникальных высокотехнологичных продуктов с высоким экспортным потенциалом:
- Оптические квантовые сенсоры для использования в лидарах при визуализации слабо отражающих зашумленных объектов и других применений, включая квантовую метрологию, квантовую связь и квантовые вычисления.
- Квантовые сенсоры с фотонной интегральной схемой для анализа жидкостей и газов, как одно из наиболее перспективных направлений развития современной биофотоники и медицины с точки зрения безопасности, быстроты обработки данных и помехоустойчивости для реальных клинических приложений.
- Сверхпроводниковые детекторы для применений в фундаментальной радиоастрономии, детектирования состояний сверхпроводниковых кубитов, для скрытых систем безопасности, включая подповерхностную неизлучающую радиолокацию, а также для медицинских и биологических исследований без применения облучения живых объектов.
- Однофотонный спекл-спектрометр и развитие технологии создания охлаждаемой однофотонной видеокамеры видимого, телекоммуникационного и инфракрасного диапазона длин волн.
Квантовая связь
Проект направлен на разработку и внедрение инновационных технологий передачи квантового состояния и обеспечение безопасности передачи информации с использованием принципов квантовой механики.
- Преобразователь электромагнитного сигнала между микроволновым и оптическим диапазонами, способный работать в квантовом режиме — ключевой узел квантового интернета.
- Прототип экспериментальной системы для конвертации микроволнового сигнала в оптический в квантовом режиме.
- Распределенный квантовый процессор для реализации более эффективных кодов детектирования и коррекции квантовых ошибок.
- Алгоритмы и протоколы передачи квантово-оптических сигналов для выработки секретного ключа за один сеанс квантово-защищенной связи между низкоорбитальным спутником и наземной станцией.
- Методы защиты квантовой информации от декогеренции и шумов в условиях реальных квантовых систем для обеспечения надежности передачи данных.
Ожидаемые результаты
-
Создать прорывные технологии мирового уровня в области квантовых вычислений и квантовой защиты данных, включая экспериментальные методы и теоретические основы построения связи между сверхпроводниками квантовыми процессорами и демонстрации квантовой связи через локальные микроволновые сети.
-
Разработать новые оригинальных подходы к построению эффективных вычислительных устройств и наращиванию прикладных квантовых алгоритмов, включая создание распределенной системы квантовых вычислений.
- Развитие технологии производства сверхпроводниковых интегральных микросхем квантовых устройств с перспективой масштабирования и запуска контрактного производства.
- Создание новой образовательной модели для внедрения квантовых технологий в решение индустриальных задач: как в части высшего образования, так и в части программ дополнительного профессионального образования (ДПО).
- Качественное развитие научно-исследовательской и инновационной инфраструктуры университета с фокусом на технологическое лидерство закрепит ведущую роль Университета МИСИС как инновационного и лидера в области квантовых технологий и ведущего университета по подготовке кадров для квантовой отрасли.
Задачи проекта
Научно-исследовательская деятельность
- Создание прорывных технологии мирового уровня в области квантовых вычислений и квантовой защиты данных, включая экспериментальные методы и теоретические основы построения связи между сверхпроводниками квантовыми процессорами и демонстрации квантовой связи через локальные микроволновые сети.
- Ликвидация технологического разрыва между научными разработками в области квантовых технологий (среднемасштабные квантовые компьютеры, продукты сенсорных технологий и компоненты систем квантовой связи) и коммерчески значимыми приложениями.
- Качественное развитие научно-исследовательской и инновационной инфраструктуры университета в широкой кооперации с ведущими научными центрами и индустриальными партнерами.
Образование
- Создание образовательных программ для подготовки высококвалифицированных инженеров-физиков, включая программы, программы фундаментальной подготовки по базовым физическим дисциплинам и совместные программы с ведущими научными центрами и индустриальными партнерами.
- Создание новой образовательной модели для внедрения квантовых технологий в решение индустриальных задач: как в части высшего образования, так и в части программ дополнительного профессионального образования
- Интеграция научной, образовательной и проектной деятельности для развития практико-ориентированного подхода к обучению и усилению научного и коммерческого потенциала вуза в области физики и квантовых технологий.
