Квантовая физика вышла за пределы лабораторий

В новом учебном году в НИЯУ МИФИ запускается первая в России образовательная программа «Квантовый инжиниринг». Учебный курс будет сформирован в Институте лазерных и плазменных технологий (Институт ЛаПлаз) университета по принципу «гринфилда», то есть с нуля.

Политолог, публицист Александр Механик – о задаче создания в России новой генерации специалистов по квантовым технологиям.

Как заметил академический руководитель программы, руководитель научной группы Российского квантового центра по созданию квантового компьютера на холодных ионах Кирилл Лахманский, «еще недавно слово “квантовый” употреблялось только учеными, занимающимися фундаментальными исследованиями. В последние годы квантовая физика вышла за пределы лабораторий и стала осваиваться бизнесом и индустрией. В результате резко возрос спрос на специалистов в области квантовых технологий».

Нехватка людей ощущается во многих научных лабораториях. Задача создания в России новой генерации специалистов по квантовым технологиям была заложена в том числе в дорожной карте по развитию квантовых технологий, утвержденной в 2020 году. Квантовые ученые-инженеры, как отметила куратор программы Яна Ляхова, смогут работать в передовых исследовательских центрах, в квантовых лабораториях. Среди них можно назвать Российский квантовый центр, департаменты РЖД, курирующих квантовые технологии в России, «Ростелеком», Сбер, лаборатории НИЯУ МИФИ, МИСИС, МГУ, ВНИИ автоматики им. Н. Л. Духова, другие университеты и институты в Томске, Ростове-на-Дону.

Квантовые технологии – это…

Отраслей, затронутых квантовыми технологиями, становится все больше, но сегодня инвестиции со стороны бизнеса и индустрии идут в первую очередь в область квантовых коммуникаций и криптографии. Все более востребована технология кодирования и передачи данных в квантовых состояниях фотонов. Законы физики не позволяют измерить квантовое состояние так, чтобы оно не изменилось, поэтому квантовый канал связи невозможно прослушать незаметно для адресатов. Вот почему квантовые коммуникации и квантовые сети сегодня востребованы банками, государственными организациями и военными. Возникла постквантовая криптография, которая реализуется на классических компьютерах, но защищена от квантовых атак.

На втором месте по востребованности квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, ионами, фотонами, электронами. Квантовые компьютеры, разработкой которых сегодня занимаются во многих странах мира, должны помочь моделировать сложные квантовые системы, а значит, синтезировать новые материалы, лекарства, сложные молекулы и решать некоторые вычислительные и оптимизационные задачи, недоступные для самых мощных классических компьютеров.

И третье направление — квантовая сенсорика и датчики. Квантовые системы чрезвычайно восприимчивы к колебаниям, поэтому квантовые сенсоры способны измерять малейшие различия в любых характеристиках, например температуре, ускорении, притяжении или времени. Это направление квантовых технологий, может быть, в меньшей степени представлено в бизнес-секторе, но тем не менее прецизионные измерения с использованием законов квантовой физики является сегодня одной из бурно развивающихся областей науки.

Стало ясно, что наука и промышленность нуждаются в новых специалистах — квантовых инженерах. «Причем, — поясняет Яна Ляхова, — мы говорим, что наши выпускники — квантовые инженеры, имея в виду, что это инженеры, которые должна быть при этом еще и учеными. Потому что квантовые технологии еще не покинули научно-исследовательских лабораторий и любые устройства, даже те, которые уже поставляются, например устройства квантовой криптографии, еще находятся на стадии научной разработки. Поэтому специалисты по квантовому инжинирингу должны быть такими учеными, которые в своих фундаментальных исследованиях уже видят конкретный вариант их применения».

Как готовить квантовых инженеров

Вот почему специалист по квантовому инжинирингу, как говорит Кирилл Лахманский, «это прежде всего специалист, обладающий глубокой подготовкой по физике и математике, который должен уметь хорошо программировать и обладать практическими навыками для работы с конкретным оборудованием. И обучение квантовому инжинирингу в МИФИ будет вестись в рамках направления “Прикладные математика и физика” и будет отвечать стандартам хорошей, глубокой физматподготовки. Чтобы стать квантовым инженером, нужно быть не только талантливым физиком экспериментатором, но нужно быть также и теоретиком и понимать, каким образом работает электроника, лазеры, оптика».

Студент, который придет на эту образовательную программу, уже с первого курса начет изучать введение в квантовые технологии, а со второго курса займется также лабораторным практикумом (в том числе на оборудовании, которое закуплено по поддержавшей проект программе «Приоритет 2030»). На протяжении всего обучения студентов ждет непрерывный цикл теоретических и практических занятий. Ребята смогут освоить полный спектр экспериментальных и теоретических методов, необходимых для разработки и создания квантовых устройств и систем. Они будут изучать лазерную физику, фотонику, квантовую оптику, современную теорию конденсированного состояния, многочастичную квантовую физику, топологию и многое другое. Запланирован большой объем занятий по IT-направлениям: два языка программирования, среды символьных вычислений и даже программирование симуляторов квантовых компьютеров.

Как пояснила Яна Ляхова, «уже с конца первого курса мы начинаем рассказывать нашим студентам про квантовые технологии, про квантовую механику, а со второго курса у них начинается практикум, и он до конца обучения не заканчивается. Мы рассчитываем на то, что ребята будут активно участвовать в соревнованиях формата World Skills, это, кстати, еще одна площадка, где мы для них можем находить работодателей».

Для реализации учебного курса удалось собрать сильную экспертную группу из сотрудников МИФИ, Российского квантового центра и Математического института РАН имени В. А. Стеклова. В создании программы принимают участие люди, являющиеся признанными экспертами в этой области, имена многих из них известны во всем мире.

Причем на бакалавриате студентов не предполагается жестко делить на экспериментаторов и теоретиков, планируется, что выпускники программы должны уметь и проводить расчеты, и программировать, и управлять оборудованием, а специализироваться по своим интересам студенты смогут на старших курсах за счет дисциплин по выбору и увеличенного по сравнению со стандартными учебными планами количества часов на научную работу. В рамках научной работы студенты смогут специализироваться в том направлении, которое им ближе, будь то практика, теория, коммуникации и криптография, вычисления или сенсоры.

Подготовлено на основе материалов, предоставленных пресс-службой МИФИ.

Ранее опубликовано на: https://stimul.online/articles/sreda/professiya-kvantovyy-inzhener/