Центр компетенций НТИ по направлению «Квантовые технологии»

Центр компетенций НТИ по направлению «Квантовые технологии»Центр компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по направлению «Квантовые технологии» на базе физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

В рамках центра ведутся исследования по всем направлениям такой «сквозной» технологии как квантовые технологии» - квантовые вычисления, квантовая коммуникация и квантовые сенсоры.

В частности, исследования в области волоконной и атмосферной квантовой криптографии, физики холодных атомов, квантовой оптики, нанофотоники и нелинейной оптики, а также криоэлектроники. Большое внимание при работе центра уделяется образовательным программам для слушателей самого разного уровня.

Сотрудники центра вовлечены в крупные проекты по разработке систем квантовой криптографии, адаптированных к реальным волоконным линиям связи, систем оптической квантовой коммуникации по открытому пространству и разработке оптических квантовых вычислительных систем.


Цели и задачи


Реализация программы Центра квантовых технологий имеет следующие стратегические цели:

В научно-техническом направлении:

Преодоление технологических разрывов в области квантовых технологий между научными разработками в области среднемасштабных квантовых компьютеров и созданием соответствующей элементной базы.

В коммерческом направлении:

Вывод на глобальный рынок двух типов продуктов:

  • Высокоскоростные квантовые шифраторы для использования в магистральных оптоволоконных линиях связи для государственных и коммерческих структур и квантовые телефоны (приоритетные проекты). Высокоскоростные шифраторы позволят защитить каналы с большими объёмами трафика, шифрование которого другими способами невозможно или затруднительно. Квантовые телефоны позволят реализовать защищенный документооборот между объектами инфраструктуры крупных компаний, банков и госучреждений (статья 13 Федерального закона от 07.07.2003 N 126-ФЗ, ред. от 17.04.2017- "О связи").

  • Среднемасштабные квантовые компьютеры на основе нейтральных атомов и фотонных чипов с возможностью удаленного сетевого доступа для решения тестовых задач, базирующихся на квантовых алгоритмах. Такие устройства позволят конечным пользователям самостоятельно разрабатывать и тестировать квантовые алгоритмы для прикладных задач (приоритетный проект).

В образовательном направлении:

  • Запуск трех образовательных программ, ориентированных на подготовку специалистов широкого профиля в области прикладных квантовых технологий. Программы позволят сократить дефицит квалифицированных кадров и обеспечить подготовку специалистов нового профиля – квантовых инженеров, которые остро необходимы для развивающейся индустрии квантовых технологий.

  • Запуск системы дополнительного образования для повышения квалификации работников технологических предприятий, заинтересованных во внедрении квантовых технологий. Такие программы необходимы компаниям-пользователям продуктов, основанных на квантовых технологиях.

  • Запуск системы онлайн-образования по квантовым технологиям для максимально широкого круга слушателей. Система будет способствовать формированию рынка потребителей продуктов, основанных на квантовых технологиях.

  • Запуск практикума по квантовым технологиям, работающего в том числе в режиме онлайн-доступа. Практикум дает возможность «пощупать руками» фундаментальные квантовые эффекты и дает навыки практического использования линейки продуктов квантовых технологий (приоритетный проект).

Результаты деятельности

Преодоление технологических барьеров

  • В 2020 году выпущен предсерийный образец детектора одиночных фотонов на основе планарных лавинных фотодиодов на гетероструктурах InGaAs/InP для систем однофотонной квантовой связи. Ключевая особенность данного устройства – возможность работы при температуре порядка -50…-20˚C. Это позволяет использовать детектор в компактных приемных устройствах, в отличие от сверхпроводящих детекторов, которые требуют криогенной температуры для охлаждения и потому имеют ограниченные возможности применения и не подходят для использования в системах связи. Разработка детектора направлена на решение задачи импортозамещения оборудования, используемого в системах квантовой связи и иных решениях, где требуются подобного рода детекторы. Проект реализуется совместно с Институтом физики полупроводников имени А.В. Ржанова.

  • В 2020 году запущена процедура сертификации СКЗИ ViPNet Quandor и ViPNet QSS, разработанных Центром квантовых технологий совместно с компанией «ИнфоТеКС». Так как до настоящего времени в рамках действующего законодательства процедура сертификации оборудования с модулем квантового распределения ключей в России не проводилась, порядок получения сертификата станет прецедентом для всей отрасли и позволит вывести на рынок принципиально новый класс продуктов. В частности, сразу же после получения сертификатов компания «ИнфоТеКС» готова запустить коммерческий выпуск решений ViPNet Quandor и ViPNet QSS. Предсерийные образцы этих решений уже прошли тестирование и доступны для ознакомления.

Значимые результаты научно-исследовательской деятельности

  • В 2019 году разработана технология создания многоканальных перепрограммируемых оптических преобразователей (интерферометров). Ученые предложили новый метод размещения компонентов оптических интерферометров, благодаря чему эти устройства становятся нечувствительными к ошибкам. Предложенный метод позволяет расширить спектр технологий, применяемых при изготовлении устройств, что может способствовать появлению интерферометров с большим количеством каналов для использования в области квантовых технологий. Также данное решение может быть использовано в области классической оптической обработки информации, в особенности в оптических нейронных сетях.

  • В 2020 году разработана технология создания программируемых интегрально-оптических чипов. Чип производится методом электронной литографии в слое нитрида кремния. Отработана технология создания одномодовых оптических волноводов с удельными потерями <1 дБ/см и потерями на сопряжения <7 дБ при вертикальном вводе и <4 дБ при торцевом вводе. В настоящий момент ученые работают над оптимизацией геометрии составляющих элементов, чтобы минимизировать потери оптического сигнала при распространении по чипу, и готовят программные средства для управления и настройки реконфигурируемых устройств и реализации квантовых алгоритмов с помощью таких устройств. Технология создания чипов ляжет в основу линейно-оптического квантового симулятора, создаваемого в ЦКТ. Проект реализуется совместно с НОЦ ФМН МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Создание важных объектов инфраструктуры

  • В 2019-2020 годах разработан и полностью запущен научно-образовательный практикум по квантовой оптике и квантовой информатике. Данный комплекс позволяет обучающимся экспериментально исследовать базовые законы квантовой физики на примере задач квантовой информатики, реализованных на платформе квантовой оптики. Выполнять практическую работу на оборудовании комплекса можно как очно, так и в дистанционном режиме без какой-либо потери в эффективности.

  • В декабре 2019 года в Центре квантовых технологий был открыт Центр коллективного пользования (ЦКП). Центр предназначен для коллективного использования дорогостоящих уникальных приборов и установок при выполнении фундаментальных и прикладных исследований, в том числе для обучения по программам дополнительного профессионального образования, повышения квалификации, профессиональной подготовки и переподготовки.

Внедрение и коммерциализация результатов деятельности Центра

  • В 2020 году Научно-образовательный практикум по квантовой оптике и квантовой информатике, разработанный в ЦКТ, был внедрен в СПбГУ (в готовое решение входят оборудование, задачи и методическое руководство, разработанное в ЦКТ). Установленный в Санкт-Петербургском госуниверситете комплекс используется не только в магистерских программах, но и в программах бакалавриата, что позволяет значительно увеличить число обучающихся.

  • В декабре 2020 года в Московском государственном университете начался первый этап развертывания сети квантовой телефонии с использованием решения ViPNet QSS. Всего в рамках программы квантово защищенная сеть соединит порядка 20 абонентских пунктов на территории МГУ и в компании «ИнфоТеКС». Окончание проекта запланировано на конец 2021 года.

Создание и лицензирование РИДов

В 2019 году Центром квантовых технологий было подано 14 заявок на патентование объектов интеллектуальной собственности, в 2020 году - 20 заявок. За два года заключено 3 лицензионных договора передачи прав на РИД.

Консорциум

МГУ имени М. В. Ломоносова является системообразующей организацией консорциума.

В консорциум также входят:

Научные и образовательные организации:

  • ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет» (СПбГУ),
  • ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана),
  • Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (НИУ МИЭТ),
  • Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ),
  • Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР),
  • Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» (ФГБОУ ВО «СГУ им. Н.Г. Чернышевского»),
  • ФГБУН «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» (КФТИ КазНЦ РАН),
  • ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова» («ВНИИА»),
  • ФГБУН Институт физики полупроводников имени А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН),
  • ФГБУН Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН),
  • ФГБУН Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук (ФТИ РАН),
  • Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН),
  • Учебный центр "ИнфоТеКС",
  • Детский технопарк «Кванториум» г. Саратов.

Индустриальные партнеры

  • ООО «ИнфоТЕКС»,
  • ООО НТП «Криптософт»,
  • АО «Концерн «Автоматика»,
  • ООО «Авеста».

Иные организации

  • Межрегиональная общественная организация «Ассоциация защиты информации» (МОО АЗИ),
  • ООО "ИД Электроника",
  • Компания «Иннопрактика».

Проекты

  1. Направление «Квантовые коммуникации»

    • Высокоскоростной квантовый шифратор 10G – Создание комплекса квантово-криптографической аппаратуры защиты информации для передачи через сеть связи общего пользования. Данное решение будет интересно операторам связи, провайдерам услуг и операторам ЦОДов, банкам и любым другим организациям, для которых равно важны объемы и защищенность передаваемых данных. Проект выполняется совместно с компанией «ИнфоТеКС». В 2020 году начата сертификация продукта.

    • Квантовый телефон ViPNet – Разработка и создание устройства, обеспечивающего защищенный документооборот на основе квантовых ключей. Устройство позволяет производить защищенный обмен голосовыми сообщениями, файлами, осуществлять общение с помощью видеозвонков. Проект выполняется совместно с ОАО «ИнфоТеКС». В 2020 году начата сертификация продукта.

    • Разработка принципов, подходов и оборудования доверенных узлов для географически протяженных сетей квантового распределения ключей с использованием волоконно-оптических линий связи – Проект нацелен на дальнейшую реализацию географически протяженных волоконно-оптических сетей защищенной передачи данных с квантовым распределением ключей.

    • Квантовый датчик случайных чисел – Разработка и создание устройства, принцип действия которого основан на фундаментальных законах квантовой механики, что и обеспечивает генерацию истинно случайных чисел. Наиболее широкое применение случайные числа находят в криптографии (секретные ключи в системах симметричного шифрования, генерация паролей, PIN-коды для различных типов пластиковых карт, кодов аутентификации, вероятностных алгоритмов и систем квантового распределения ключей). Устройство разработано и готово к использованию. В частности, датчик используется в проектах, которые ведет ЦКТ.

    • Счетчик фотонов в ближнем ИК-диапазоне – Разработка и создание детектора одиночных фотонов на основе планарных лавинных фотодиодов на гетероструктурах InGaAs/InP. Ключевая особенность данного устройства – возможность работы при температуре порядка -50…-20˚C, что позволяет использовать детектор в компактных приемных устройствах. Проект реализуется совместно с Институтом физики полупроводников имени А.В. Ржанова. В 2020 году был протестирован предсерийный образец устройства.

    • Мобильная система распределения криптографических ключей терминал-пользователь – Разработка оптической схемы для системы терминал-пользователь квантового распределения ключей на короткие расстояния (до 1 м). Система предназначена для обеспечения защищенной связи пользовательского устройства с терминалом без установки на стационарное основание, т. е. непосредственно с рук оператора.

  2. Направление «Квантовые вычисления»

    • Многокубитный квантовый симулятор – Многокубитный квантовый симулятор представляет собой вычислительную систему с открытым доступом через Интернет. Устройство включает два процессора на основе двух различных физических систем: холодные атомы в оптической ловушке и одиночные фотоны в линейно-оптических сетях. Каждый из процессоров может быть использован по отдельности, либо, если возможно разбиение задачи, процессоры могут работать параллельно. Доступ по сети Интернет позволяет использовать вычислительные ресурсы квантового симулятора по удаленному протоколу. Проект выполняется совместно с Институтом физики полупроводников имени А.В. Ржанова, НОЦ ФМН МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова. В рамках работы по проекту продолжается научно-исследовательская работа, тестирование отдельных элементов, разработка программной и аппаратной частей устройств.

    • Элементная база квантовых компьютеров: разработка методов характеризации линейно-оптических интегральных схем на основе интерферометрии тепловых полей – Данный проект предполагает разработку методов характеризации и адаптивной подстройки параметров линейно-оптических интегральных схем на основе интерферометрии тепловых полей. В рамках проекта выполняется математическое моделирование интерференции тепловых полей в многоканальном интерферометре, разрабатываются методы и компьютерные программы статистического восстановления параметров интерферометра и адаптивной подстройки параметров интегрально-оптической схемы под заданное преобразование.

    • Квантовая метрология: создание прототипа системы квантовой оптической когерентной томографии – В рамках проекта ведется разработка системы квантовой оптической когерентной томографии, предназначенной для сканирования биологических образцов.

  3. Направление «Полупроводниковые квантовые устройства»

    • Создание твердотельного одноатомного одноэлектронного элемента на основе примесного атома в полупроводниковой матрице (КВ) – Создание логических элементов на основе квантовых резервуарных вычислительных сетей одноатомных одноэлектронных устройств. Данные элементы предназначены для применения в системах обработки, хранения и передачи информации.

    • Полевые сенсоры и детекторы излучения на основе одноатомных структур (КСе) – Разработка полевых сенсоров и детекторов излучения на основе одноатомных структур. Создаваемые устройства предназначены для применения в системах обработки, хранения и передачи информации, а также существующих в виде самостоятельных сенсорных и детекторных устройств. В 2020 году было завершено теоретическое исследование механизмов работы, начата отработка технологических процессов изготовления.

    • Разработка методов изготовления твердотельных одноатомных элементов на основе примесных атомов в карбиде кремния (SiC) и исследование их характеристик (КВ) – Исследование возможности использования примесных атомов из ряда Cl, Br, N, Cr, Au и Al в карбиде кремния (SiC) в качестве зарядовых центров одноатомных транзисторов и разработка твердотельных одноатомных элементов, предназначенных для применения в системах обработки, хранения и передачи информации.

  4. Направление «Интегральные нанофотонные устройства»

    • Пассивные и активные нанофотонные структуры для интегральных оптических волноводов и переключателей (КВ, КС) – Комплексное исследование и проработка новых компактных фотонных наноструктур. Комплексность проекта заключается в использовании ряда оригинальных и передовых технологий, используемых в современной оптике и оптоэлектронике, начиная от этапа проектирования и заканчивая готовым наноустройством. Плюсы такого подхода – быстрая адаптация всего процесса под нужды заказчика, а также размещение ключевых элементов на одном фотоном чипе, что ведёт к уменьшению энергетических потерь в местах стыковки компонентов.

    • Наноразмерный оптический переключатель (КВ, КС) – Разработка полностью оптического переключателя на основе резонансных наноструктур из полупроводниковых материалов для эффективного управления светом ближнего ИК-диапазона, а также экспериментальная демонстрация полностью оптического переключения с помощью разработанного устройства.

    • Однофотонные источники света на чипе (КВ, КС, КСе) – Разработка и экспериментальная реализация однофотонного источника, интегрированного в волноводную структуру на поверхности одномерного фотонного кристалла.

Образовательная деятельность

За 2018-2020 гг. в Центре было подготовлено 637 специалистов, из них 354 – в рамках магистерских программ, остальные – в рамках программ дополнительного образования (ДПО).

Специалистами Центра за 3 года разработано и утверждено три новых программы магистратуры («Квантовые вычисления», «Квантовая криптография и квантовая связь» и «Квантовые и оптические технологии»), а также 8 новых программ ДПО по тематике СКВОТ.

В 2020 году Центр реализует указанные магистерские программы и 7 программ ДПО. Список всех образовательных проектов Центра представлен на сайте. Центр также проводит активную работу со школьниками (организация научно-популярных лекций), запущен массовый образовательный курс на платформе Coursera на английском языке.

Центром также создан уникальный научно-образовательный практикум по квантовой оптике и квантовой информатике.

В рамках практикума по квантовой оптике и квантовой информатике студенты вузов, сотрудники учебных заведений, научных организаций и индустриальных компаний, проходящие курсы повышения квалификации по направлениям, связанным с квантовыми технологиями, могут на практике увидеть, как работают законы квантовой физики в реальном эксперименте.

В 2020 году практикум в полном объеме был запущен в Центре квантовых технологий. Проведено первое внедрение практикума как готового решения в сторонней образовательной организации (СПбГУ).

Команда

  • Николай Сысоев, директор Центра квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова; декан физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова,
    nikolai.sysoev@quantum.msu.ru

  • Сергей Кулик, научный руководитель центра квантовых технологий, профессор, д. ф.-м. н.,
    sergei.kulik@quantum.msu.ru

  • Сергей Молотков, руководитель сектора квантовой криптографии, профессор, д. ф.-м. н.,
    sergei.molotkov@quantum.msu.ru

  • Андрей Федянин, руководитель сектора нанофотоники и нелинейной оптики, профессор, д. ф.-м. н.,
    andrei.fedyanin@quantum.msu.ru

  • Олег Снигирев, руководитель сектора криоэлектроники, профессор, д. ф.-м. н.,
    oleg.snigirev@quantum.msu.ru<

  • Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений, старший научный сотрудник, к. ф.-м. н.,
    stanislav.straupe@quantum.msu.ru


Контакты

Адрес: Москва, 119991, Ленинские горы д.1, стр. 35 (Центр коллективного пользования) и стр. 62
Тел.: 8 (495) 939-37-81

Открытый отбор проектов НТИ

РВК проводит открытый отбор проектов НТИ, нацеленных на экспорт на зарубежные рынки технологических продуктов, разработку прорывных инновационных технологий, создание условий для компаний, работающих на рынках НТИ.

Медиа-центр

Новости проектов | Статьи
30.03.2020
В рамках образовательной части программы Центром компетенций НТИ на базе МГУ разработан практикум по квантовой оптике и квантовой информатике, благодаря которому можно будет на практике увидеть, как работают законы квантовой физики в реальном эксперименте.
Все новости
18.01.2021
Группа ученых из Центра квантовых технологий МГУ провела экспериментальную проверку использования «теневой томографии» в модельной квантовой системе переменной размерности, реализуемой с пространственными состояниями фотонов. Идеи теневой томографии могут лечь в основу новых, менее затратных методов тестирования и поиска ошибок, и найти прикладное применение при разработке новых поколений квантовых процессоров.
Все cтатьи
Место проведения: