http://93.174.130.82/news/shownews.aspx?id=e3198483-41a6-4297-a48f-70af61f582d6&print=1
© 2024 Российская академия наук
18 мая 2021 года
состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук
(проводится в режиме видеоконференции)
Председательствует президент РАН академик
РАН Александр Михайлович Сергеев.
Началось заседание Президиума РАН с поздравления
членов Академии наук с государственными наградами:
- академик РАН Геннадий
Андреевич Месяц награжден орденом Александра Невского;
- академик РАН Юрий
Федорович Лачуга награжден орденом Почета;
- академик РАН Иван
Александрович Щербаков награжден орденом Дружбы;
- академик РАН Андрей
Владимирович Адрианов награжден медалью ордена «За заслуги перед
Отечеством» II
ст.;
- академик РАН Александр
Олегович Глико награжден медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II ст.
х х х
Члены Президиума заслушали сообщение «О состоянии и перспективах развития
квантовых технологий в РФ».
Докладчик — академик РАН Геннадий Яковлевич Красников, руководитель
приоритетного технологического направления по электронным технологиям,
академик-секретарь ОНИТ РАН, генеральный директор АО «НИИМЭ».
Содокладчики:
член-корреспондент РАН Николай Николаевич Колачевский —
директор ФИАН;
профессор РАН, д.ф.-м.н. Алексей Алексеевич Калачёв — и.о.
директора ФИЦ КазНЦ РАН;
д.ф.-м.н. Сергей Павлович Кулик — научный руководитель Центра квантовых
технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова;
д.т.н. Сергей Иванович Донченко — руководитель приоритетного технологического
направления по метрологии, генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ»;
академик РАН Александр Семенович Холево — заведующий отделом, главный научный
сотрудник МИАН;
профессор РАН, д.ф.-м.н. Александр Николаевич Печень — заведующий
отделом МИАН;
член-корреспондент РАН Сергей Аполлонович Никитов — директор
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
Приводим некоторые выступления:
«Квантовые
коммуникации: достижения, проблемы и перспективы». Профессор РАН,
д.ф.-м.н. А.А. Калачев — ФИЦ «Казанский
научный центр Российской академии наук».
Квантовые коммуникации (квантовая связь) —
область квантовых технологий, связанная с передачей носителей квантовой
информации между удаленными объектами.
В качестве основных задач или направлений
квантовых коммуникаций можно выделить следующие:
• Безопасная
передача информации (квантовое распределение ключа, квантовая прямая передача
данных);
• Перенос
квантовых состояний (квантовая телепортация);
• Безопасная
обработка информации (слепые квантовые вычисления);
• Квантовые
интерфейсы (квантовые повторители, распределенные квантовые вычисления);
• Другие
криптографические протоколы (многостороннее вычисление, квантовая цифровая
подпись и т.д.).
В настоящее время для квантовой связи
широко используется два типа квантовых каналов: оптоволоконные каналы
(стационарные узлы) и атмосферные/космические каналы (стационарные и мобильные
узлы). Конечной целью развития квантовых коммуникаций является создание
глобальной защищенной квантовой сети (квантового интернета), объединяющей
различные типы квантовых каналов и позволяющей решать перечисленные выше
задачи.
Началом развития квантовых коммуникаций
можно считать разработку первого протокола квантового распределения ключа (КРК)
в 1984 году Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром (протокол BB84). Данный
протокол и по сей день (в модифицированном виде) остается основным протоколом
КРК, используемым на практике. В экспериментальном плане можно выделить
следующие существенные моменты: первый эксперимент по КРК (1989 год), создание
первой автоконфигурируемой (plug&play) системы КРК (1997 год), разработка
первых коммерческих систем КРК (2003-2004 годы), ввод первой квантовой сети
(2004 год) и, наконец, запуск первого спутника для квантовых коммуникаций (2016
год).
Последние мировые достижения в области
квантовых коммуникаций:
• КРК
по оптоволоконному каналу без использования доверенных узлов на расстояние 511
км [1];
• серия
экспериментов по КРК с использованием космического спутника «Мо-Цзы» [2-5], в
том числе КРК помощью перепутанных фотонов между двумя городами, удаленными
друг от друга на расстояние 1120 км [5];
• Ввод
в эксплуатацию квантовой магистральной оптоволоконной сети длиной 2000 км (с 32
доверенными узлами) между Пекином и Шанхаем, а также объединение оптоволоконной
сети и космического канала в единую сеть, общей протяженностью 4600 км [6].
Возможность дальнейшего увеличения
протяженности квантовых сетей связывается с созданием квантовых повторителей,
использующих квантовую память. На данный момент эта технология находится на
стадии фундаментальных исследований и ее развитие существенным образом зависит
от прогресса в области создания эффективной квантовой памяти. Среди последних
достижений можно отметить демонстрацию когерентной оптической памяти в
кристалле 151Eu3+:Y2SiO5 с временем хранения информации порядка 1 часа [7].
Поскольку уже показано, что время спиновой когерентности в этом кристалле
достигает шести часов [8], данный материал можно считать на сегодня самым
перспективным для долговременного хранения квантовых состояний. Среди экспериментов,
связанных с реализацией протокола квантового повторителя, следует отметить
работу [9], в которой реализован элементарный сегмент такого устройства и
осуществлено КРК со скоростью 10-4 бит/с. Также можно отметить недавние
эксперименты по созданию перепутанных состояний между удаленными устройствами
квантовой памяти на холодных атомах (до 50 км) [10] и КРК с использованием
квантовой памяти на основе ансамбля SiV-центров в алмазе [11] со скоростью
10-7 бит/с.
В Российской Федерации ведутся интенсивные
работы по различным направлениям квантовых коммуникаций с участием целого ряда
научно-образовательных центров и компаний. В частности:
• Разработаны
протоколы квантового распределения ключа;
• Разработаны
опытные образцы систем КРК, готовые к внедрению;
• КРК
отработана в существующих волоконных линиях связи;
• Созданы
пилотные зоны локальных, городских и магистральных квантовых сетей;
• Созданы
макеты системы управления квантовой сетью;
• Продемонстрировано
КРК через атмосферу и с использованием квадрокоптеров. Ведутся работы по
спутниковым системам;
• Развивается
отечественная компонентная база (однофотонные детекторы, квантовые генераторы
случайных чисел, однофотонные источники и т.д.);
• Ведутся
работы по формированию нормативной базы для сертификации;
• Разработаны
протоколы квантовой памяти;
• Поставлены
эксперименты по записи и воспроизведению ослабленных лазерных импульсов в
примесных кристаллах.
При этом можно выделить работы по широкому
спектру направлений, выполняемые в Центре квантовых технологий Московского
государственного университета им. М.В. Ломоносова (квантовый телефон, система
КРК с использованием беспилотных летательных аппаратов и др.), Университете «ИТМО»
(квантовая сеть университета «ИТМО» и др.), Российском квантовом центре
(квантово-защищенный VPN между офисами ПАО «Сбербанк» в Москве и др.).
В качестве заключения, можно отметить
следующее:
• Основными
мерами прогресса в области квантовых коммуникаций остаются дальность и скорость
защищенной передачи информации. Соответствующий план развития данной области в
Российской Федерации до 2024 года имеется в утвержденной дорожной карте «Квантовые
коммуникации».
• Наиболее
актуальной и фундаментальной задачей, решение которой считается необходимым для
дальнейшего масштабирования квантовых сетей, является реализация квантовых
повторителей и доведение этой технологии до коммерческого уровня.
• Актуальной
задачей является развитие аппаратно-независимой квантовой криптографии, что
важно, в том числе, с коммерческой точки зрения. Технология квантовых
повторителей позволит реализовать аппаратно-независимый подход на больших
масштабах квантовых сетей.
• Принципиально
важным является развитие отечественной компонентной базы. В частности,
стратегическое значение приобретает развитие отечественных технологий создания
материалов для носителей квантовой информации (таких как кристаллы,
активированные редкоземельными ионами, демонстрирующие многочасовые значения
времени когерентности).
[1] Chen J-P, et al. arXiv:2102.00433 (2021)
[2] Yin J, et al. Science 356, 1140 (2017)
[3] Liao S-K, et al. Nature 549, 43 (2017)
[4] Liao S-K, et al. Phys. Rev. Lett. 120, 030501 (2018)
[5] Yin J, et al. Nature 67, 1 (2020)
[6] Chen Y-A, et al. Nature 67, 1 (2021)
[7] Ma Y, et al. Nature Communications 12, 1 (2021)
[8] Zhong M, et al. Nature 517, 177 (2015)
[9] Xiao Liu, et al. arXiv:2101.04945 (2021)
[10] Yu Y, et al. Nature 578, 240 (2020)
[11] Bhaskar M K, et al. Nature 580, 60 (2020)
==
Д.ф.-м.н. С.П. Кулик представил основные определения и протоколы квантовой
сенсорики, а также кратко остановился на базовых физических системах, на основе
которых возможно реализовать квантовые сенсоры.
==
«Квантовые
технологии в области измерений времени, частоты и гравитационного поля Земли». Д.т.н. С.И. Донченко — генеральный директор
ФГУП «ВНИИФТРИ»,
Измерения в области времени и частоты
являются наиболее динамично развивающимся видом измерений. Повышение точности в
измерениях времени и частоты в современном мире происходит примерно на порядок
за каждые 10 лет. Это связано с одной стороны с потребностями общества в точной
навигации, связи нового поколения, необходимостью беспилотного и
высокоскоростного транспорта, а с другой стороны в возможностях, открываемыми
учеными в области сверхузких высокостабильных переходах в различных материалах,
а классическом СВЧ диапазоне, а также в оптическом и рентгеновском диапазонах.
В связи с этим развитие квантовых технологий для метрологии, в частности для
воспроизведения, хранения и передачи времени в России крайне актуально.
Академику Николаю Геннадьевичу Басову,
лауреату Нобелевской премии в области физики, принадлежит идея о создании лаборатории
квантовых технологий во ВНИИФТРИ для решения задач время-частотных измерений,
для чего в 1967 году из ФИАН во ВНИИФТРИ была переведена целая лаборатория с
руководителем В.М. Татаренковым и необходимым оборудованием. В настоящее время
во ВНИИФТРИ функционирует главный метрологический центр Государственной службы
времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГМЦ ГСВЧ) России.
В составе технических средств в ГМЦ ГСВЧ
используются стандарты частоты и реперы частоты, которые делятся по диапазонам
воспроизводимых частот на радиотехнические (рубидиевые и цезиевые), и
оптические (стронциевые). Точность рубидиевых и цезиевых стандартов и реперов
частоты составляет несколько единиц минус шестнадцатого знака, оптических — минус
семнадцатого знака.
В свою очередь, в зависимости от условий
эксплуатации и конструктивных особенностей стандарты частоты подразделяются на
стационарные, мобильные, миниатюрные.
К стационарным стандартам частоты
относятся:
- метрологический цезиевый репер — относительная
неисключенная систематическая погрешности воспроизведения единицы частоты
5·10-16;
- рубидиевый репер частоты — относительная
неисключенная систематическая погрешности воспроизведения единицы частоты
2·10-16;
- хранитель единиц времени и частоты на
основе фонтана атомов рубидия — нестабильность частоты 2·10-16;
- оптический стандарт частоты 1 поколения
— относительная неисключенная систематическая погрешности воспроизведения
единицы частоты 1·10-16;
- оптический стандарт частоты 2 поколения
— относительная неисключенная систематическая погрешности воспроизведения
единицы частоты 1·10-17.
К мобильным стандартам частоты относятся:
- перевозимые квантовые часы водородные — нестабильность
частоты 4·10-16 за 1 сутки;
- мобильный оптический стандарт частоты — относительная
неисключенная систематическая погрешность воспроизведения единицы частоты не
более 110-17 (в стадии разработки).
К малогабаритным стандартам частоты
относятся:
- рубидиевый стандарт частоты с
нестабильностью частоты 1,4·10-11 за 1 с и 1,4·10-12 за 100 с;
- сверхминиатюрный квантовый стандарт
частоты с нестабильностью частоты 3×10-11 за 1 с и 5×10-12 за 1 сутки.
За период с 2008 по 2020 годы точность
воспроизведения и хранения единиц времени и частоты, формирования национальной
шкалы времени UTC(SU) в ГМЦ ГСВЧ в соответствии с этапами модернизации ГЭВЧ и
развития квантовых технологий во ФГУП «ВНИИФТРИ» действительно возросла не
менее, чем на порядок, и достигла мирового уровня. К этим этапам следует
отнести:
2008 г. — внедрение промышленных активных
водородных стандартов частоты;
2012 г. — разработка и внедрение
метрологического цезиевого репера частоты фонтанного типа на холодных атомах;
2018 г. — разработка и внедрение
хранителей единиц времени и частоты на основе фонтана атомов рубидия,
оптического стандарта частоты 1 поколения, активных водородных стандартов
частоты нового поколения;
2020 гг. — разработка и внедрение репера
частоты рубидиевого, оптического стандарта частоты 2 поколения.
В результате успешного развития и
внедрения квантовых технологий во ФГУП «ВНИИФТРИ» вклад России в формирование
международной шкалы атомного времени TAI возрос в несколько раз. При этом по
характеристикам формирования национальная шкала времени UTC(SU) вошла в число
лучших реализаций шкалы всемирного координированного времени UTC.
К наиболее важным областям применения
ГЭВЧ, а также различных квантовых стандартов частоты следует отнести навигацию
— 1 нс взаимной синхронизации навигационных космических аппаратов обеспечивает
30 см по точности определения местоположения потребителя синхронизации
навигационных космических аппаратов.
В части научных применений следует
выделить задачи уточнения фундаментальных физических констант, поиск темной
материи.
В области связи для сетей 5 G необходимы
точности синхронизации порядка 100 нс, а сетей 6 G 10 — 20 нс.
Для решения задач гравиметрии на уровне 10
см необходимы точности стандартов частоты порядка 10-17, а для уровня 1 см — 10-18.
Абсолютный квантовый гравиметр ВНИИФТРИ,
создаваемый на основе технологии разработки стандарта частоты фонтанного, типа
позволяет измерить абсолютное значение g в выбранной точке с точностью 5-10
мкГал
при чувствительности 30-40 мкГал/√Гц.
Разрабатываемая сеть «Квантовый футшток»
для создания высокоточной высотной основы России в отдаленных регионах, в том
числе в Арктике, с применением стационарных и мобильных стандартов частоты,
спутниковых и релятивистских методов синхронизации, позволит осуществить
решение задач мониторинга гравитационного потенциала и ортометрической высоты,
определения уклонения отвесной линии с требуемой точностью.
По состоянию на сегодняшний день можно
утверждать, что разработаны и реализованы отечественные квантовые технологии
для создания:
- стационарных атомных стандартов времени
и частоты на основе современных методов лазерного охлаждения атомов;
- мобильных, малогабаритных и
сверхминиатюрных стандартов частоты;
- водородных стандартов частоты и времени;
- квантовых гравиметров.
Во ФГУП «ВНИИФТРИ» налажено производство
сверхминиатюрных квантовых стандартов частоты с метрологическими
характеристиками, которые соответствуют передовому мировому уровню.
Кроме того, разработанные технологии могут
быть использованы в смежных областях, например, в квантовой магнитометрии, в
создании высокоточных квантовых гироскопов и т.д.
При этом следует выделить ряд проблем,
которые затрудняют дальнейшее развитие отечественных квантовых технологий:
- отсутствуют источники лазерного
излучения отечественного производства;
- отсутствует необходимая ЭКБ
отечественного производства;
- существуют технологические ограничения,
препятствующие миниатюризации;
- проблемы в разработках квантовых
сенсоров на основе КПН-эффекта:
ключевым элементом сверхминиатюрного
квантового сенсора на основе КПН-эффекта является лазер с вертикальным
резонатором. Единственным разработчиком таких лазеров в России является
Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН. Однако, из пробной
серии лазеров (60 шт.), разработанных этим Институтом, лишь единичные
экземпляры удовлетворяют требованиям по долговременной нестабильности
сверхминиатюрных квантовых сенсоров на основе КПН-эффекта. Требуется доработка
технологии производства этих лазеров; в разработках квантового сенсора на
основе КПН-эффекта используются, в основном, комплектующие импортного
производства, на которые распространяются ограничения по поставкам в Россию.
Для успешного дальнейшего развития и
внедрения квантовых технологий целесообразно
рассмотреть следующие предложения в решение Совета:
1. Считать необходимым разработать совместно с
Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и другими
заинтересованными ведомствами Программу междисциплинарных фундаментальных
исследований в области квантовых технологий.
2. Поручить Научному Совету РАН «Квантовые
технологии» совместно с Минобрнауки России подготовить предложения по доработке
Дорожной карты «Квантовые сенсоры» с учетом обсуждения полученных по этому
направлению результатов на Научном Совете РАН «Квантовые технологии», а также
предложения на период 2025–2030 гг, обратив особое внимание на необходимость
осуществления комплексного подхода при реализации проектов от фундаментальных
исследований до внедрения в производство.
3. Поручить Научному Совету РАН «Квантовые
технологии» на основе материалов заседаний Научного совета РАН «Квантовые
технологии», с учетом предложений руководителя приоритетного
технологического направления «Технологии
средств измерений», сформировать список проектов наиболее готовых к
промышленному внедрению. Представить данный список в Минпромторг России для
решения вопроса о финансировании ОКР, в первую очередь связанных с разработкой
отечественной элементной базы квантовых технологий.
4. Членам Совета сформулировать предложения по
организации фундаментальных научных исследований по созданию атомных
гравиметров и развитию стандартов частоты различных типов.
==
Академик РАН А.С. Холево, Математический институт им. В.А. Стеклова РАН.
Основной посыл тезисов — роль фундаментальных
исследований на стыке информатики, теоретической и математической физики, на
которые опирается развитие квантовых технологий во всем мире. Эти исследования
предполагают относительно скромное финансирование, но эффект в стратегической
перспективе может быть огромен. Проведу аналогию -- появление цифровых
технологий вряд ли было бы возможным, если бы инженер-математик К. Шеннон (у
нас еще раньше В.И. Шестаков) в 1930-е не разработали применение алгебры Буля к
релейно-контактным схемам. Мотивацией исследований математика Дж. Буля была
формализация законов логического мышления.
Становится все очевиднее, что трудности
реализации квантового компьютера возрастают по мере углубления в задачу,
подобно тому, как гора «растет» по мере приближения к ней. Это конечно не
снимает и не снижает непреходящую интеллектуальную ценность идеи квантовых
вычислений. С другой стороны, существующая вера в возможность относительно
скорого построения (обычно говорят: 5-10 лет) практически полезного устройства
на существующих платформах основывается на оценках, которые предполагают весьма
специальную модель шумов — редкие независимые ошибки в различных элементах
квантовой схемы. Недавно известный израильский математик Gil Kalai предположил
альтернативную модель (arXiv:2008.05188), в которой ошибки сильно коррелированы
и распространяются из-за наличия связей между элементами схемы. Основываясь на
этом, он в частности утверждает, что разрабатываемые фирмой Гугл noisy
intermediate-scale quantum (NISQ) устройства не смогут продемонстрировать
декларируемого «квантового превосходства».
Так или иначе, эта дискуссия подчеркивает
важность продолжения и развития теоретических исследований шумов и случайных
процессов в открытых квантовых системах различного уровня сложности, а также
фундаментальных квантовых ограничений и пределов для различных операциональных
и информационных характеристик квантовых схем и линий (сетей) связи.
Для технологически и коммерчески более
продвинутых направлений -- квантовые коммуникации, квантовая криптография --
принципиальное значение имеют исследования квантовых пределов скорости передачи
и обработки классической и квантовой информации для протоколов с использованием
различных дополнительных коммуникационных ресурсов (запутанность, коррелированность,
обратная связь и др.); вычисление пропускных способностей зашумленных квантовых
каналов и сетей связи; разработка методов кодирования, обеспечивающих
приближение к теоретическим квантовым пределам скорости и качества передачи.
Как показали доклады, квантовые технологии
в РФ наиболее успешны в направлении квантовых сенсоров, есть ряд ярких
технических решений. В то же время общим для всех доложенных проектов является,
к сожалению, отсутствие сопоставления достигнутых показателей с предельными
(эталонными) значениями, диктуемыми квантовой теорией. В простейших случаях эти
пределы следуют просто из соотношений неопределенностей, но существуют и менее
очевидные, зато более точные границы (например, различные квантовые аналоги
неравенства Крамера-Рао). Эти границы и методы их достижения разрабатываются
разделами квантовой информатики, которые обозначаются как квантовая теория
обнаружения и оценивания, квантовая метрология, некоммутативная теория
статистических решений.
Выводы: Исследования в
области квантовой информатики необходимы для успешного, всесторонне
обоснованного развития квантовых технологий. Подчеркнута актуальность
продолжения и развития фундаментальных исследований в направлениях:
-- принципиальных квантовых ограничений и
пределов для информационных и операционных характеристик квантовых схем и
каналов (сетей) связи;
-- шумов и случайных процессов в открытых
квантовых динамических системах различного уровня сложности и
структурированности.
==
«Методы
коррекции ошибок в квантовых вычислениях». Профессор РАН, д.ф.-м.н. А.Н. Печень — зав. отделом
математических методов квантовых технологий МИАН им. В.А Стеклова, главный
научный сотрудник МИСИС, заместитель заведующего кафедры «Методы современной математики»
МФТИ
Идея
использовать квантовые системы для ускорения вычислений была предложена в
начале 1980х математиком Юрием Маниным и физиком Ричардом Фейнманом. В 1994
году Питер Шор придумал квантовый алгоритм факторизации числа, решающий эту
задачу за полиномиальное (и небольшое) число операций, в то время как известные
классические алгоритмы требуют суб-экспоненциального числа операций. В 1996
году Лов Гровер обнаружил квантовый алгоритм решения задачи перебора, дающий
квадратичное ускорение по сравнению с классическими алгоритмами. Были найдены
квантовые алгоритмы для других задач, позволяющие более быстро находить
решение, чем известные классические алгоритмы.
Однако,
как выяснилось при последующих попытках практической реализации квантовых
алгоритмов, шумы и ошибки неизбежно возникают при приготовлении, передаче,
обработке, измерении состояний квантовых систем, что влечет невозможность
непосредственной реализации исходно предложенных квантовых схем Шора, Гровера и
т. п. Для борьбы с шумами разрабатываются такие методы, как теория
квантовых кодов, исправляющих ошибки, и теория управления квантовыми
системами, позволяющая проводить оптимизацию квантовых гейтов. Важным
направлением является теория открытых квантовых систем, нужная для
определения возможных типов шумов и ошибок (bit flip, phase flip, amplitude
damping, …) в каждой конкретной экспериментальной реализации квантовых
вычислений.
Разработка
квантовых кодов, исправляющих ошибки, восходит к работам П. Шора, Е. Книлла, Р.
Лафламма, А. Кальдербанка, А. Стина, А. Китаева второй половины 1990-х годов.
Предложено множество кодов, включая 3-кубитные коды для коррекции переворота
спина или фазы, 5-кубитный код — минимальный код, исправляющий любые
однокубитные ошибки, 7-кубитный код Стина, 9-кубитный код Шора, коды
Кальдербанка-Шора-Стина, развита теория стабилизирующих кодов, топологические
поверхностные коды, бозонные коды (Gottesman-Kitaev-Preskill), использующие для
кодирования состояний кубита состояния в бесконечномерных гильбертовых
пространствах. Ключевым результатом является так называемая пороговая теорема,
которая утверждает, что если ошибки каждого элемента схемы коррекции ошибок
менее некоторого порогового значения, то схема позволяет реализовывать сколь
угодно длинные вычисления. Пороговые значения зависят от типа ошибки и от
используемого кода и обычно они менее 0.3%. Для поверхностных кодов пороговые
значения с учетом реалистичных шумов, в том числе влияющих на дополнительные
кубиты, значительно выше — порядка 1%.
Однако при этом используется большое (от десятков до тысяч и десятков
тысяч) число физических кубитов для реализации одного логического кубита.
Большое
внимание уделяется коррекции ошибок с использованием бесконечномерных квантовых
систем. Кодирование кубита в состояниях квантового осциллятора было
теоретически предложено Gottesman, Kitaev, Preskill в 2001 году. Сейчас
проводятся различные эксперименты, напр. P. Campagne-Ibarcq et al, Quantum
error correction of a qubit encoded in grid states of an oscillator, Nature
584, 368 (2020) и т.д. В Математическом институте им. В.А. Стеклова нами
активно ведутся исследования по коррекции ошибок в бесконечномерных квантовых
системах. Исследуется исправление ошибок в системах взаимодействующих квантовых
осцилляторов, в модели Джейнса-Каммингса и т.д. Разрабатываются как
теоретические методы, основанные на использовании теории операторных графов,
так и приложения к конкретным физическим системам. В ряде случаев нам удается получить явные аналитические выражения для исправляющих ошибки подпространств [G.G. Amosov, A.S. Mokeev, A.N. Pechen,
Non-commutative graphs and quantum error correction for a two-mode quantum
oscillator, Quantum Information Processing 19, 95 (2020); G.G.
Amosov, A.S. Mokeev, A.N. Pechen, Noncommutative graphs based on
finite-infinite system couplings: Quantum error correction for a qubit coupled
to a coherent field, Phys. Rev. A 103,
042407 (2021)].
Другим
ключевым направлением исследований для борьбы с шумами и ошибками является
теория управления квантовыми системами. Квантовые состояния и гейты в
экспериментальных ситуациях генерируются с помощью внешнего управляющего
воздействия на систему (лазерный импульс, электромагнитное поле). Разработка
методов управления квантовыми системами с учетом влияния окружения и шумов
ведется во многих ведущих мировых научных центрах. Нами исследуются управление
взаимодействующими с окружением кубитами, сверхбыстрая генерация квантовых
гейтов и другие задачи [O.V. Morzhin, A.N. Pechen, Minimal time generation of
density matrices for a two-level quantum system driven by coherent and
incoherent controls, Intern. J. Theor. Phys. 60, 576
(2021); B.O. Volkov, O.V. Morzhin, A.N. Pechen, Quantum control landscape for
ultrafast generation of single-qubit phase shift quantum gates, J. Phys. A:
Math. Theor. 54, 215303 (2021)]. Получены ключевые результаты в области алгоритмической неразрешимости задач квантового управления [D.I. Bondar, A.N. Pechen, Uncomputability
and complexity of quantum control, Scientific
Reports, 10 (2020)].
Для
определения конкретного типа ошибки необходимо дальнейшее развитие теории
открытых квантовых систем, то есть квантовых систем, взаимодействующих с
окружением. Существуют различные типы уравнений для описания систем,
взаимодействующих с окружением, включая марковские и немарковские
мастер-уравнения, уравнения Накажимы-Цванцига,
Горини-Коссаковского-Сударшана-Линдблада, уравнения в пределах слабой связи и
низкой плотности, квантовые стохастические дифференциальные уравнения и т.д.
Таким
образом, наличие шумов в экспериментальных реализациях квантовых вычислительных
устройств требует разработки методов борьбы с ними. Основными методами являются
теория исправляющих ошибки квантовых кодов и теория управления квантовыми
системами. Для определения и учета возможных типов ошибок в каждой конкретной
экспериментальной реализации также требуется дальнейшее развитие теории открытых квантовых систем.
==
«Сверхпроводниковый
однофотонный детектор — ключевой элемент квантового вычислителя на фотонах и
ионах, схем квантовых коммуникаций и квантовых сенсоров». Д.ф.-м.н. Г.Н. Гольцман — заведующий кафедрой
общей и экспериментальной физики МПГУ, Национальный исследовательский
технологический университет МИСиС.
Расскажу об успешном направлении в
квантовых технологиях, в котором мы впереди не только в исследованиях и
разработках, но и в продажах на глобальном рынке. Это сверхпроводниковые
однофотонные детекторы.
Фундаментальные исследования 90х годов
локального неравновесного состояния в токонесущем сверхпроводящем нанопроводе
привели нас 20 лет назад к прорывной технологии счета фотонов — сверхпроводниковому
однофотонному детектору SSPD. В 2004 году нами была основана компания «Сверхпроводниковые
нанотехнологии» (ООО Сконтел) — спин-офф МПГУ, которая успешно коммерциализует
многоканальные однофотонные приемные системы на базе SSPD. Благодаря самой
высокой квантовой эффективности в ИК диапазоне, быстрому счету фотонов,
отсутствию шумов и малому джиттеру SSPD быстро стал востребован на глобальном
рынке квантовых технологий, для разработки квантовых вычислителей на фотонах,
сетей квантовых коммуникаций и разнообразных квантовых сенсоров. Более 350
исследовательских институтов, университетов, больших и малых коммерческих компаний
по всему миру используют нашу продукцию.
Следующий технологический прорыв состоял в
постановке сверхпроводникового однофотонного детектора SSPD на оптический
волновод. Это открыло дорогу к созданию квантовых фотонных интегральных схем.
В настоящее время изучается множество
физических систем для реализации кубитов, включая сверхпроводящие цепи,
захваченные ионы и атомы, квантовые точки, центры окраски в твердом теле и
фотоны. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы являются необходимой компонентной
базой для двух из них: для квантового вычислителя на фотонах и на ионах. Если
сначала остановиться на первом, то здесь важно, что Knill, Laflamme и Milburn
(KLM) предложили концепцию линейных оптических квантовых вычислений (LOQC),
позволяющую создавать недетерминированные вентили с использованием источников
фотонов, линейных оптических элементов и однофотонных детекторов. Несмотря на
то, что реализация KLM-протокола возможна в свободном пространстве,
необходимость в большом количестве оптических компонентов и их точной
конфигурации требует более сложных решений. Благодаря ряду преимуществ, таких
как масштабируемость, небольшая занимаемая площадь, малый вес, отсутствие
необходимости в оптической юстировке, а также малое энергопотребление и
совместимость с CMOS, квантовые фотонные интегральные схемы (QPIC) успешно
решают эту задачу. В нашей презентации мы поговорим о принципах работы, истории
развития, а также последних успехах наиболее многообещающего подхода к
реализации QPICs на основе гибридных нанофотонно-сверхпроводниковых устройств.
В этом случае нанопроволока NbN помещается поверх нанофотонного волновода из
Si3N4, что увеличивает эффективную длину взаимодействия. По этой причине можно
добиться почти полного поглощения фотонов и уменьшить площадь покрытия
детектора. Это сокращает мертвое время устройства и увеличивает эффективность
детектора. Наш подход полностью масштабируем и, наряду с большим количеством
устройств, интегрированных в один чип, может быть адаптирован, например, и к
среднему ИК-диапазону, где технология счета фотонов на рынке пока отсутствует.
Практически во всех продемонстрированных в
разных странах сетях квантовых коммуникаций для больших расстояний и большой
скорости передачи квантового ключа применяются SSPD детекторы. Они же востребованы
во многих квантовых сенсорах. В презентации рассматриваются наиболее интересные
примеры.
Сверхпроводниковый однофотонный детектор – ключевой элемент квантового вычислителя на фотонах и ионах, схем квантовых коммуникаций и квантовых сенсоров (pptx, 11 Мб)
==
В
обсуждении приняли участие:
ак. С.М, Алдошин, ак. А.Н. Лагарьков, ак.
Б.Н. Четверушкин, ак. С.М. Багаев, М.В. Паршин — заместитель Министра цифрового
развития, связи и массовых коммуникаций, Е.Б. Солнцева — директор по
цифровизации ГК Росатом, В.В. Шпак — заместитель Министра промышленности и
торговли, А.В. Глейм — начальник департамента квантовых коммуникаций ОАО «РЖД»,
И.А. Родионов доцент, директор совместного исследовательского центра
«Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им.
Н.Л.Духова» ГК Росатом, главный научный сотрудник НИТУ «МИСиС», д.ф.-м.н. Н.Н. Сысоев, декан физического
факультета МГУ, ак. И.А. Каляев, ак. А.Г. Забродский.
х х х
Члены Президиума заслушали сообщение «Отчеты о работе региональных
представительств федерального государственного бюджетного учреждения
«Российская академия наук» в 2020 году».
Информация академика РАН Андрея Владимировича Адрианова.
Выступления:
руководителя Представительства ФГБУ
«Российская академия наук» на территории Ульяновской области доктора
экономических наук Олега Владимировича
Асмуса,
руководителя Представительства ФГБУ
«Российская академия наук» на территории Белгородской области
члена-корреспондента РАН Евгения
Степановича Савченко,
руководителя Представительства ФГБУ
«Российская академия наук» на территории Республики Башкортостан доктора
юридических наук Рафаила Наримановича
Зинурова,
от Представительства ФГБУ «Российская
академия наук» на территории Самарской области — доктора технических наук Ярослава Александровича Ерисова.
х х х
На заседании рассмотрен вопрос о присуждении золотой медали имени Н.Н.
Бурденко 2021 года (представление Экспертной комиссии и бюро Отделения
медицинских наук) академику РАН Владимиру
Викторовичу Крылову за работу «Разработка и внедрение инновационных методов
диагностики и хирургического лечения тяжелой черепно-мозговой травмы». Выдвинут
федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего
образования «Московский государственный медико-стоматологический университет
имени А.И. Евдокимова» Минздрава РФ.
На заседании Экспертной комиссии
присутствовали 8 членов Комиссии из 9. В соответствии с результатами тайного
голосования единогласно к присуждению золотой медали имени Н.Н. Бурденко 2021
года рекомендована кандидатура В.В. Крылова.
На заседании бюро Отделения медицинских
наук РАН присутствовали 27 членов Бюро из 36. В соответствии с результатами
тайного голосования единогласно в Президиум РАН представлен проект
постановления о присуждении золотой медали имени Н.Н. Бурденко 2021 года В.В. Крылову.
Представленная академиком РАН В.В. Крыловым
работа посвящена изучению патогенеза и эпидемиологии ЧМТ, разработке новых
методов хирургического лечения тяжелой ЧМТ и острого дислокационного синдрома,
хирургической тактике при различных анатомических формах повреждения мозга,
вопросам организации лечения пострадавших с ЧМТ.
Исследования, выполненные непосредственно
В.В. Крыловым и его сотрудниками, внесли новые знания в диагностику и
хирургическое лечение тяжелой ЧМТ, позволили улучшить организацию работы
отделений неотложной нейрохирургии, улучшить исход тяжелой ЧМТ.
х х х
На заседании рассмотрен вопрос о присуждении премии имени Л.И. Мандельштама 2021 года (представление Экспертной
комиссии и бюро Отделения физических наук) доктору физико-математических наук Анатолию Михайловичу Камчатнову (федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт спектроскопии Российской
академии наук) за цикл работ по теории дисперсионных ударных волн. Выдвинут
Ученым советом федерального государственного бюджетного учреждения науки Института
спектроскопии Российской академии наук.
На заседании Экспертной комиссии
присутствовали 9 членов Комиссии из 10. В соответствии с результатами тайного
голосования единогласно рекомендована кандидатура А.М. Камчатнова.
На заседании бюро Отделения физических
наук РАН присутствовали 25 членов Бюро из 39. В соответствии с результатами
тайного голосования единогласно в Президиум РАН представлен проект
постановления о присуждении премии имени Л.И. Мандельштама 2021 года А.М. Камчатнову.
Работы А.М. Камчатнова по теории
дисперсионных ударных волн представляют собой существенное развитие теории
бесстолкновительных ударных волн, восходящей к классическим работам Р.3. Сагдеева,
А.В. Гуревича и Л.П. Питаевского.
В основе работ А.М. Камчатнова лежит метод
Уизема, применяемый как к интегрируемым, так и неинтегрируемым
нелинейно-волновым моделям. Вывод уравнений Уизема был существенно
усовершенствован, что привело к созданию эффективного рабочего аппарата для
решения ряда физически важных задач: совместно с соавторами получена
классификация распадов начальных разрывов в так называемой «невыпуклой»
дисперсионной гидродинамике; объяснены эксперименты Э. Корнелла по динамике
бозе-эйнштейновского конденсата как проявление формирования дисперсионной
ударной волны; предсказано образование косых солитонов в течении конденсата
мимо препятствия внутри конуса Маха, что в последствии было подтверждено в
экспериментах по наблюдению в поляритонном конденсате; для двухкомпонентных
конденсатов дан полный анализ волновых структур, возникающих при опрокидывании
волны поляризации. Для класса «квазипростых» ударных волн был развит метод,
позволяющий рассчитать динамику краев дисперсионной ударной волны при
произвольной начальной форме импульса и найти число солитонов, на которые распадается
локализованный начальный импульс при асимптотически больших временах.
Работы А.М. Камчатнова внесли
фундаментальный вклад в теорию дисперсионных ударных волн, которая превратилась
в один из важнейших и наиболее развитых разделов современной нелинейной физики.
х х х
На заседании рассмотрен вопрос о присуждении премии имени А.Н. Колмогорова
2021 года (представление Экспертной комиссии и бюро Отделения
математических наук) доктору физико-математических наук Александру Вадимовичу Булинскому (федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский
государственный университет имени М.В. Ломоносова») за цикл работ «Предельные
теоремы и их приложения». Выдвинут академиком РАН Холево А.С., Ученым советом
Механико-математического факультета федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный
университет имени М.В. Ломоносова».
На заседании Экспертной комиссии
присутствовали 8 членов Комиссии из 8. В соответствии с результатами тайного
голосования большинством голосов (за — 6, против — 2, недействительных бюллетеней
— нет) к присуждению премии имени А.Н. Колмогорова 2021 года рекомендована
кандидатура А.В. Булинского.
На заседании бюро Отделения математических
наук РАН присутствовали 20 членов Бюро из 24. В соответствии с результатами
тайного голосования большинством голосов (за — 14, против — 2, недействительных
бюллетеней — 4) в Президиум РАН представлен проект постановления о присуждении
премии имени А.Н. Колмогорова 2021 года А.В. Булинскому за цикл работ
«Предельные теоремы и их приложения».
Представленный на соискание премии цикл
работ А.В. Булинского посвящен доказательству фундаментальных результатов в
теории вероятностей, а также их приложениям, в том числе предельных теорем для
случайных процессов и полей, их применению к анализу сложных стохастических
моделей.
Статьи цикла составляют три
взаимосвязанные группы. В первую группу входят работы, устанавливающие
результаты, связанные с изучением асимптотической нормальности систем зависимых
случайных элементов и с доказательством различных форм центральной предельной
теоремы.
Вторая включает работы, посвященные
изучению стохастических моделей, связанных с генетическим анализом сложных
заболеваний (гипертензия, инфаркт миокарда, диабет).
Третья группа содержит статьи, посвященные
асимптотическим свойствам статистических оценок дифференциальной энтропии
Шеннона, условной энтропии Шеннона и взаимной информации.
В представленных работах установлены
фундаментальные математические результаты. Их сочетание с исключительно важными
статистическими приложениями всегда отличало научную школу А.Н. Колмогорова.
х х х
На заседании рассмотрен вопрос о присуждении премии имени Б.Б. Голицына 2021
года (представление Экспертной комиссии и бюро Отделения наук о Земле) доктору
геолого-минералогических наук Константину
Владиславовичу Титову, кандидату геолого-минералогических наук Григорию Владимировичу Гурину, кандидату
геолого-минералогических наук Павлу
Константиновичу Коносавскому (федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский
государственный университет») за цикл научных работ «Развитие теории,
экспериментальной базы и методики применения поляризационных методов
геоэлектрики (естественного электрического поля и вызванной поляризации»). Выдвинуты
Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный
университет».
В голосовании на заседании Экспертной
комиссии приняли участие 9 членов Комиссии из 10. В соответствии с результатами
тайного голосования большинством голосов (за — 6, против — 3, недействительных
бюллетеней — нет) к присуждению премии имени Б.Б. Голицына 2021 года
рекомендованы кандидатуры К.В. Титова, Г.В. Гурина, П.К. Коносавского.
На заседании бюро Отделения наук о Земле
РАН в голосовании принял участие 31 член Бюро из 39. В соответствии с
результатами тайного голосования единогласно в Президиум РАН представлен проект
постановления о присуждении премии имени Б.Б. Голицына 2021 года К.В. Титову,
Г.В. Гурину, П.К. Коносавскому.
Рекомендованный к присуждению премии имени
Б.Б. Голицына 2021 года цикл научных работ «Развитие теории, экспериментальной
базы и методики применения поляризационных методов геоэлектрики (естественного
электрического поля и вызванной поляризации)» включает 37 статей в российских и
международных рецензируемых высокорейтинговых журналах. Он представляет собой
результаты фундаментальных и прикладных исследований авторского коллектива в
области динамично развивающегося направления геофизики — поляризационной
геоэлектрики.
Междисциплинарные исследования выполнены
на стыке геофизики, петрофизики и физической химии (коллоидной химии и
электрохимии). Предложена модель вызванной поляризации электрически
анизотропных горных пород и на ее основе разработан метод оконтуривания горных
массивов, содержащих золото и минералы платиновой группы. Предложен и
теоретически обоснован новый механизм мембранной поляризации пород,
обусловленный неоднородностью минералогического состава их твердой фазы, что
позволило повысить эффективность применения поляризационных методов
геоэлектрики в рудной геологии и гидрогеологии. Детально рассмотрены в
теоретическом плане и в экспериментах явления вызванной поляризации горных
пород, обусловленных совместным действием естественного электрического поля и
течения флюида в пористой среде. Результаты, представленные в цикле научных
работ, внесли вклад в теоретическую геофизику и нашли применение в практической
геологоразведке, авторский коллектив достоин присуждения премии имени Б.Б.
Голицына 2021 года за выдающиеся научные работы в области геофизики.
х х х
На заседании рассмотрен вопрос о присуждении премии имени А.Ф. Кони 2021
года (представление Экспертной комиссии и бюро Отделения общественных наук)
доктору юридических наук Валерию
Васильевичу Лазареву (федеральное государственное научно-исследовательское
учреждение «Институт законодательства и сравнительного правоведения при
Правительстве РФ») за серию научных работ, посвященных исследованию общей
теории права и ее практического воплощения в реальных общественных отношениях. Выдвинута
Ученым советом федерального государственного научно-исследовательского
учреждения «Институт законодательства и сравнительного правоведения при
Правительстве РФ».
На заседании Экспертной комиссии
присутствовали 7 членов Комиссии из 8. В соответствии с результатами тайного
голосования единогласно к присуждению премии имени А.Ф. Кони 2021 года
рекомендована кандидатура В.В. Лазарева.
На заседании бюро Отделения общественных
наук РАН в голосовании приняли участие 19 членов Бюро из 23. В соответствии с
результатами тайного голосования единогласно в Президиум РАН представлен проект
постановления о присуждении премии имени А.Ф. Кони 2021 года В.В. Лазареву.
В представленной на конкурс серии научных
работ В.В. Лазарева изложены актуальные результаты комплексного,
междисциплинарного нормативно-ценностного анализа государственно-правовых
институтов. Серия научных работ направлена на повышение уровня дискуссии по
вопросам общей теории права и ее практического воплощения в реальных
общественных отношениях, а также на разрешение фундаментальных вопросов
правовой политики РФ. В серии научных работ В.В. Лазарева последовательно
обосновывается интегративный подход к пониманию права, раскрываемый как на
уровне общей теории права, так и на уровне отраслевых юридических наук и
юридической практики.
Проведенные в рамках этих работ
исследования дают основания для более широкого восприятия права — как
неотъемлемого элемента любой цивилистической системы. Выводы автора на основе
серьезных философских и научных обобщений позволяют по-новому взглянуть на многие
фундаментальные проблемы теории и практики права, формируют новые направления
исследований и, несомненно, вносят значимый вклад в развитие отечественной
правовой мысли.
Представленная на соискание премии имени
А.Ф. Кони 2021 года серия научных работ В.В. Лазарева является научно значимой,
отличается новизной, вносит существенный вклад в развитие современной правовой
науки и правоприменительной практики; удовлетворяет всем высоким требованиям,
предъявляемым к работам на соискание данной премии, и заслуживает ее
присуждения.
х х х
Члены Президиума обсудили и приняли
решения по ряду других научно-организационных вопросов.