Квантовый центр Сколково считается международным НИИ. В нем разрабатывают технологии будущего, которые основаны на квантовых свойствах материи. Среди исследователей более 150 ученых – российские и мировые специалисты. За время своего существования в центре сформировано 16 научных групп, 7 стартапов, 16 лабораторий. 

Чем занимаются в Российском квантовом центре?

Годом основания РКЦ считается 2010.  Еще при открытии стояла главная цель – заниматься научными разработками, которые в перспективе приведут к новым технологиям.

Результат такой деятельности в:

1. Безопасных сетях передачи информации.
2. Изучении и формировании новых материалов.
3. Субмикронных оптических транзисторов и оптической электронике с высокой частотой.
4. Новых системах для очень чувствительной томографии головного мозга.
5. Компактных и точных навигационных часах.

Цели и задачи РКЦ

Цель центра – разрабатывать высокотехнологичные коммерческие продукты на базе квантовых технологий.

Задачи:

1. Совершать открытия в квантовой области и на их основе открывать новые технологии.
2. Стремиться к идеальному образу научно-исследовательского учреждения нового современного типа.
3. Привлекать людей и готовить своих специалистов.
4. Развивать науку России и помогать интегрировать российское научное сообщество с международным.

Работы ученых попадают в международные журналы, например, Science и Nature.

Чтобы подготовить новых специалистов по квантовой физике, в центре организованы лекции и семинары с известными учеными.

Руководство и научный совет

РКЦ является частной организацией, которой на 47,5% владеет Газпромбанк и на 47% – Центр развития квантовых технологий. Последним руководят генеральный директор центра и директор компании «Акронис».

За координацию научной работы центра отвечает Международный Консультативный Совет. В свою очередь он делится на Консультативный и Научный. В первый входят ведущие мировые ученые с опытом в создании международных центров, схожих с РКЦ. Его главная цель – консультировать Попечительский Совет и Управляющий Комитет по различным вопросам, например, развитию инфраструктуры и зарплат постоянных сотрудников.

В Научный совет входят международные лидеры из сферы исследований. Его главные задачи:

1. Определять направления исследовательской деятельности.
2. Предлагать новых членов Попечительскому Совету.
3. Оценивать научную работу центра.

Еще одним высшим управляющим органом центра является Попечительский Совет, в состав которого входят представители правительства России и крупные деятели мировой экономики. Он отвечает за контроль финансов центра, коммерциализацию идей, привлечение доп. средств, взаимодействие исследователей центра с правительством.

Также есть:

1. Управляющий директор. Занимается координацией подготовки докладов, назначением комитетов, контролированием финансов и привлечением доп. средств для центра.
2. Административный директор. Отвечает за ремонт, техобслуживание, строительство, управление персоналом. Также в поле его ответственности находится финансовая сторона работы: бюджет и отчетности.
3. Исполнительный комитет. Вырабатывает научную концепцию центра, занимается подбором сотрудников, координирует научные мероприятия и консультирует по обустройству офисных помещений и лабораторий.

Исследования

Научная деятельность центра ведется различными группами.

Квантовая оптика

Группа квантовой оптики одна из первых объединила методы дискретных и непрерывных переменных, а после заставила их функционировать в одном аппарате. Такое решение позволило практически в полной мере получить доступ ко всему оптическому гильбертову пространству. Появилась новая область, именуемая гибридной квантовой обработкой данных. Сейчас ее возможности выходят за пределы квантовой оптики и инженерии.

Квантовая оптомеханика

Группа квантовой оптомеханики – самая молодая из прочих в центре. Она разрабатывает новые методы измерений для сверхчувствительных устройств. Например, лазерный детектор гравитационных волн.

Научные интересы группы включают анализ теории возможных исследований с негауссовскими состояниями. Последние изучают с фундаментальной и прикладной сторон.

Квантовая поляритоника

Группа поляритоники появилась в 2014 году. Она активно сотрудничает с консорциумами, которые изучают эту сферу. Поляритоника взаимодействует с квазичастицами, объединяющими свет и вещество в новые моды. Последние сочетают уникальные свойства по типу высокой когерентности и способности эффективно взаимодействовать. Сфера активно развивается – уже известны такие устройства, как транзисторы. Также активно исследуют симуляторы на базе поляритонов.

Направления:

1. Раби-осцилляции экситонных поляритонов.
2. Сверхтекучесть и сверхпроводимость поляритонов.
3. Поляритон-фотонная запутанность.
4. Двумерная и одномерная физика.

Квантовая спинтроника и низкоразмерные материалы

Годом основания лаборатории считается 2019. В формировании группы принимали участие РКЦ и МФТИ.

Основная задача – проводить эксперименты и теоретические исследования по направлениям:

1. Опто- и квантовая спинтроника – использование света для изучения и контроля над спиновыми состояниями.
2. Источники одиночных фотонов – базовых элементов для систем фотонной связи.
3. Магнетизм в наноматериалах и гетероструктурах. Включает изучение спин-орбитального взаимодействия.

Квантовые информационные технологии

Группа исследует потенциал квантовых систем в сфере IT. Уже удалось разработать новые протоколы и алгоритмы постобработки для квантовых коммуникационных систем. Также участники продолжают развивать новые подходы к обработке фотонных данных.

Квантовые коммуникации

Группа начала работать в 2015 году. Основная цель – выпустить коммерческое устройства квантовой криптографии.

Направления:

1. Квантовая оптика.
2. Теория квантовой информации.
3. Электроника и разработка ПО.

Итоговый продукт станет высококачественным устройством для защиты информации банков и других компаний.

Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника

В лаборатории квантовых симуляторов моделируют свойства твердого вещества. Для процесса применяют ультрахолодные атомы с температурой на миллионную долю градуса выше нуля. В итоге все это приведет к появлению материалов, которые сохраняют сверхпроводимость при комнатном температурном показателе.

Лаборатория фотоники считается самой большой по своей площади среди прочих в центре. В ней функционирует мощнейший в мире импульсный лазер со средним инфракрасным диапазоном. Сегодня здесь занимаются изучением филаментации. Речь идет об образовании в газах особых каналов за счет мощного излучения, которые его концентрируют.

Студенты и аспиранты в весеннее и летнее время могут принять участие в интенсивных образовательных программах. Лучшим из них выдадут финансовую поддержку для стажировок и стипендию для работы в лабораториях.

Когерентная микрооптика и радиофотоника

Группа когерентной микрооптики и радиофотоники начала работать в марте 2014 года и сейчас считается ведущей в мире. В основном сотрудники исследуют оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи. Речь идет о компактных прозрачных кристаллических дисках и сфероидах, которые захватывают свет и имеют огромную добротность до 10^11. Также группа ищет практическое применение этих эффектов.

Еще одно направление – микрорезонаторы из электрооптических материалов, которые нужны для радиофотонного применения.

Коррелированные квантовые системы

Группа изучает сверххолодные атомы, нейтронные звезды и фундаментальные модели по типу Хаббарда, Андерсона, Кондо. Лаборатория коррелированных систем сосредоточена на описании эффектов декогеренции в структурах кубитов и управлении их свойствами, задачами квантового МО. Она сотрудничает со многими исследователями из известных университетов, например, Гарвардского, Сколтеха и других.

С помощью созданного группой метода Монте-Карло можно точно вычислить динамику моделирования на большом интервале времени. Специалисты первыми провели исследование критических свойств динамических фазовых переходов в открытых бозонных системах.

Магнитоплазмоника и сверхбыстрый магнетизм

Лаборатория появилась в июле 2013 года и сейчас считается ведущей в сфере магнитоплазмоники. Главное направление работы – изучение активной плазмоники, оптического управления спином и генерации магнонов.

Передовая фотоника

Группа передовой фотоники разрабатывает решения в сфере сверхбыстрой оптики. Главная цель – превратить объемный и нереализованный потенциал последней в мощные и компактные устройства. Речь идет об уникальных лазерных источниках, оптоволоконных нейроинтерфейсах, волоконных датчиках и источниках состояниях света. В перспективе эти приборы смогут расширить границы технологий.

Прецизионные квантовые измерения

Группа прецизионных измерений была основана в 2015 году. Сейчас она считается ведущей командой на территории России в сфере охлаждения и захвата ионов, оптических часов на нейтральных атомах.

Команда разрабатывает ультрастабильные лазеры, а с 2017 года – транспортабельные часы на одиночном ионе Yb+. Около 22 работ уже опубликовано в журналах «Science», «Optics Express» и «PRA».

Основные направления работы:

1. Оптические часы.
2. Сверхстабильные лазеры.
3. Ионы и атомы в квантовом режиме.
4. Спектроскопия атома водорода.
5. Гравитация антиматерии.

Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы

Исследования группы сверхпроводниковых квантовых цепей преследуют цель масштабировать архитектуру квантовых процессоров, конструировать квантовые симуляторы и создать фотонные метаматериалы. Благодаря обработке квантовых данных удастся получить беспрецедентную вычислительную мощность и моделирование сложных систем.

Теория многих тел

Сфера научных интересов группы теории многих тел охватывает обнаружение новых топологических состояний тел и анализ обработки защищенных данных в этих состояниях. Также научное сообщество изучает новые квантовые жидкости и неупорядоченные системы с нетипичными транспортными свойствами.

Уязвимости квантовых систем

Лаборатория проверяет практическую безопасность квантовых систем связи, находит и демонстрирует новые лазейки, а также помогает разрабатывать и тестировать меры противодействия.

Направления исследований:

1. Анализ безопасности сетей.
2. Разработка сертификационных стандартов.

Компетенция «Квантовые технологии» на WorldSkills

Компетенция считается важной частью знаний, так как отвечает за решение вопросов, связанных с инфобезопасностью, высокоскоростной обработкой информации и другое. Профтехнолог должен знать не только фундаментальную базу, но и понимать принципы работы действующих технологий.

Особенности компетенции:

1. В 2017 появилась в центре.
2. В 2019 попала на чемпионат мира (за все время проведено 24 чемпионата, 4 из них международного уровня).
3. На базе ТГУ и Московского колледжа №54 образован центр компетенций, в котором подготавливают специалистов по беспроводной связи и интернету вещей.

Модуль А

Монтаж ВОЛС:

1. Время – 2 часа.
2. Цель – изготовление волоконно-оптической линии связи, которая будет пригодна для криптографического протокола.
3. Продукт – волоконно-оптическая линия (30 км) с опторазъемами на концах.
4. Оборудование: элемент для сварки оптоволокна, его скалыватель, стриппер, опторефлектометр, термоусаживаемая трубка с припоем, спирт, салфетки, микроскоп, ПК, источник оптоизлучения на длине волны, ваттметр. 
5. Средства безопасности: защитные очки, перчатки из латекса (можно снять при заполнении отчета и работе с ПК).

Модуль B

Организовать работу оптической передающей системы:

1. Время – 5 часов.
2. Цель – сбор двухпроходной автокомпенсационной схемы Plug&Play на оптической платформе.
3. Конечный продукт – устройство «Боба» и «Алисы» с оптосхемами для де- и кодирования инфобитов в состояния одиночных фотонов.
4. Оборудование: оптоаттенюатор с возможностью перестройки, лазер, фазовый модулятор, пассивные оптокомпоненты.

Модуль C

Калибровка оптоволоконной квантовой линии и передача ключа:

1. Время – 5 часов.
2. Цель – запустить систему распределения ключа, которая позволит происходить обмену тайных данных по открытому каналу. Дополнительно – первично обработать ключи.
3. Конечный продукт: секретный ключ шифрования.
4. Оборудование: ключи, канал из модуля А, оптическая схема из модуля В, секундомер, ПК с предустановленным ПО. 

Модуль D

Исследование тонкостей ОФД:

1. Определение мертвого времени детектора.
2. Определение квантовой эффективности.
3. Определение темнового тока.
4. Демонстрация функционирования и показ результата.

Модуль E

Вычисления с помощью квантового компьютера:

1. Время на работу – 5 часов.
2. Цель – реализовать алгоритмы для поиска в неотсортированной базе данных на основе поискового алгоритма. Дополнительно – реализовать фотонные программы и запустить на процессорах IBM. 
3. Продукт: поисковая система объекта в неотсортированной базе данных на ПК.
4. Оборудование: ПК с установленным ПО и доступом в интернет.

Примечание: каждый, кто участвует в конкурсе, должен реализовать алгоритмы на IBM Q Expirience. Данный блок задания – секретный.

Модуль F

Презентация результатов настройки и поиск неисправности:

1. Время – 1 час.
2. Цель – наглядно показать, как настраивали криптографический протокол.
3. Итоговый продукт: отчет, в котором описано, как настраивали и собирали систему. 

Образовательная деятельность в РКЦ

Одним из важных направлений работы РКЦ является образовательная деятельность. Для каждого студента доступны:

• выбор перспективной темы НИР;
• решение актуальных задач с опытным руководителем;
• работа на современном оборудовании;
• участие в конференциях;
• взаимодействие с научным коллективом международного уровня.

РКЦ и МФТИ

Кафедра центра под руководством Г. Шляпникова создавалась на базе Физтех-школы физики и исследований им. Ландау. Студенты смогут стать бакалаврами, магистрами (обучение на английском), аспирантами.

РКЦ и МИСиС

НИТУ «МИСиС» совместно с РКЦ набирают студентов в магистратуру по направлению «Квантовых технологий материалов и устройств». Что ждет студентов:

1. Обучение конструированию устройств для криптографии.
2. Применение методов физики для возможности моделировать и рассчитывать свойства материалов.
3. Исследование электронных процессов в сверх- и полупроводниках. Разработка решений для космоприложений.

Также актуален набор студентов в аспирантуру на 4 очных года по направлению «Физика и астрономия»

Продукты

Специалисты центра работают над разными проектами. Результатами работы выступают конкретные продукты и объекты интеллектуальной собственности.

Квантовые коммуникации

QRate занимается разработкой и поставкой комплексных аппаратно-программных обеспечений инфобезопасности.

Под угрозой может оказаться различная информация:

• персональная;
• корпоративная;
• биометрическая;
• военная тайна;
• финансовая.

Благодаря фундаментальным свойствам элементарных частиц и оптоволоконным линиям для передачи ключей, QRate на физическом уровне исключает перехват данных. Такое решение можно установить как на спутник, так и на беспилотное транспортное средство.

Детектор одиночных фотонов

Российские ученые работают над первым отечественным детектором одиночных фотонов, чтобы использовать его в линии квантовой связи. Устройство даст возможность в несколько раз увеличить качество и устойчивость связи, а также значительно уменьшить размеры оборудования для квантовой передачи данных.

Твердотельный фотоумножитель

DEPHAN является разработчиком фотоумножителей нового поколения. Они стали основной составляющей для многих приложений и рынков. Применимы в:

• лидарной автопромышленности;
• медоборудовании;
• спектрофотометрии;
• оптической связи.

Технология полностью оправдала ожидания разработчиков LIDAR следующего поколения. Образцы испытывают в некоторых международных организациях, и они уже получили положительный отклик.

Фемтосекундный лазер с диодной накачкой

ФемтоВижн – спин-офф квантового центра Сколково, разработала и запатентовала мульти-диодные лазерные модули с высокой мощностью и яркостью. Это решение позволило запустить фемтосекундный лазер с мультидиодной накачкой на титане в сапфире.

Преимущества продукта:

• компактность, мобильность;
• снижение энергопотребления;
• доступность с точки зрения экономии;
• простота в использовании.

Может быть применен в:

• биомедицине;
• метрологии;
• сверхточной микрообработке;
• технологиях.