Смело смотреть в будущее

К 271-й годовщине со дня основания главного ВУЗа страны - МГУ.

Обладая ярко выраженной – антикатолической, по существу,  сугубо - антизападной самобытностью, наука и культура  допетровской Руси развивались в основном за счет гуманитарных направлений, особенно, за счет,  представленных во многочисленных летописях, а также  в житиях святых, исторических хрониках и основах православной этики.

В естественнонаучных дисциплинах и  технологиях  наша страна существенно уступала Европе.  К примеру, начиная с X века, в Новом свете использовалась, удобная для проведения вычислений, десятичная запись чисел при помощи арабских цифр. На Руси же   до 1704 года, числа записывались словесно, что, естественным образом,  существенно затрудняло математические операции над ними.

Выводя нашу страну на лидирующие позиции, Петр I хорошо сознавал  необходимость форсированного развития отечественного образования,  науки и техники.

В 1754 году, по предложению М. В. Ломоносова (1711-1765) и, наделенного необходимым административным  ресурсом, фаворита императрицы И. И. Шувалова (1727 – 1797), были начаты работы над проектом Московского университета.

В то же время стало вполне понятно, что для подготовки  специалистов в области фундаментальных и прикладных, в частности, технических  дисциплин требуются различные образовательные подходы, что, естественным образом, обусловило создание профильных ВУЗов.

Так, 28 июня 1774 года указом императрицы  Екатерины II было основано, ставшее первым отечественным техническим ВУЗом, Санкт-Петербургское горное училище.

С XVII по XX века в мировой науке доминировала специализация. Приоритетами являлось формирование узких, но, вместе с тем, чрезвычайно – глубоких научных дисциплин. В конечном счете, это создало базу для невиданного по масштабам, этапа всестороннего прорыва  прошлого века. Для широкого  внедрения электричества и телекоммуникаций, начала атомной эпохи, становления информационных технологий.

При этом, во второй половине прошлого века стало очевидным, что изыскания практически во всех областях человеческой деятельности: будь – то медицина, ядерная энергетика, информационные,  космические и прочие технологии, требуют междисциплинарного подхода, что, в числе прочего,  породило запрос на сотрудничество университетов и крупнейших высокотехнологичных  корпораций.

Более того, во второй половине прошлого века выяснилось, что решение многих научных задач, например,  изучение строения материи, или серьезные космические исследования требуют огромных – непосильных отдельно взятой научной организации, или даже  целой стране, капитальных вложений. Таким образом, зародилась научная кооперация, как на национальном, так и на международном уровнях. Последняя позволила реализовать крупнейшие научные проекты – Megascience. К наиболее известным проектам такого типа можно отнести Международную космическую станцию,  Большой андронный коллайдер, телескоп Хаббл,  термоядерный реактор ITER и детектор нейтрино ICE cube.

Примечательно, что до недавнего времени,  фундаментальные математические исследования являлись наиболее дешевыми. По словам академика  В. И. Арнольда (1937-2010), они требовали лишь затрат на  письменные принадлежности и бумагу. Впрочем, с середины прошлого столетия, органичной частью математики стали, подчас, требующие значительных вычислительных  ресурсов, численные эксперименты.

Последние, в числе прочего,  позволили, обнаружив сложное поведение решений нелинейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений, заложить основы современной теории динамических систем, стали незаменимым инструментом исследования фракталов и поисков новых подходов к решению крайне – непростых проблем теории чисел.

Реализация отечественного атомного проекта и становление ядерной энергетики породили запрос на высококлассных специалистов по множеству фундаментальных и прикладных дисциплин.

В числе крупнейших поставщиков подобных кадров оказался МГУ, из стен которого вышли: создавший  обширную программу участия академических институтов в советском атомном проекте,  Сергей Иванович Вавилов (1891-1951), решивший ряд химических  проблем  советского  атомного проекта, Александр Николаевич Несмеянов (1899-1980), разработавший теоретические аспекты создания первых образцов отечественного термоядерного оружия, Игорь Евгеньевич Тамм (1895-1971) и, наиболее известный в нашем городе, родоначальник космического применения ядерных энергетических установок, а также один из создателей теоретической базы для проектирования реакторов на быстрых нейтронах Игорь Ильич Бондаренко (1926—1964).

В виду того, что решение оборонных задач потребовало создания первоклассной научной базы, было решено использовать данный потенциал в качестве одного из локомотивов развития отечественной науки в целом и модернизации экономики. В частности, для этих целей в Сарове были созданы Национальный центр физики и математики  (НЦФМ) и Институт трансфера технологий (ИТТ).

Первая организация – основанный в 2021 году, НЦФМ специализируется как в фундаментальных, так и в прикладных дисциплинах. В частности, в сферах астро – и ядерной физики, искусственного интеллекта, суперкомпьютерных и квантовых технологий.

В круг задач НЦФМ входит проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, обеспечение научного и технологического суверенитета страны, подготовка учёных и взращивание будущих организаторов науки.

Образовательной базой НЦФМ  стал, открытый 1 сентября 2021 года, саровский филиал МГУ им. М. В. Ломоносова.

В данном филиале МГУ учатся 50 студентов и  реализуются семь учебных программ уровня магистратуры:
 «Вычислительные методы и методика моделирования»,
 «Суперкомпьютерные технологии и фундаментальная математика»,
 « Суперкомпьютерные технологии математического моделирования и обработки данных»,
 «Теоретическая физика»,
«Лазерная нелинейная оптика и фотоника»,
«Экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика»,
 «Ядерная физика и ядерная фотоника».

Заметная финансовая поддержка (стипендия у магистрантов - 55 тыс.  рублей, аспирантов – 75 тыс. рублей) позволяет будущим ученым  сконцентрироваться на учебе и науке.

В период: с 2022 по 2025 годы аспиранты и магистранты саровского филиала МГУ подготовили 71 публикацию в рецензируемых научных изданиях, 159  докладов, 85 выступлений на конференциях и научных школах (как российского, так и международного уровня).

В начале 2022 года в  составе интегратора Госкорпорации «РОСАТОМ» по высокотехнологичной продукции гражданского назначения АО «Русатом РДС» был создан Институт трансфера технологий (ИТТ), целью которого является ввод в гражданский оборот, применяемых на  предприятиях ядерно-оружейного комплекса, технологий военного и двойного назначения.

В 2024 году стало известно о том, МГУ имени М. В. Ломоносова и «РОСАТОМ» открывают на физическом факультете совместный специалитет, программа которого связана с изучением  физики частиц, строения и экстремальных состояний материи.

Первый выпуск на новом специалитете намечен на 2030 год. В это же время в саровском НЦФМ может быть запущен источник комптоновского излучения. Уникальная установка сможет генерировать мощный поток гамма-квантов строго определённой энергии.

Попросту выражаясь, данная установка позволит выполнять своеобразное  «УЗИ» атомных ядер, изучать их тонкую структуру и, в конечном счете, перейти к созданию замкнутой, непротиворечивой теории атомного ядра.

Важнейшие фундаментальные исследования ученых МГУ и РОСАТОМа относятся  к
так называемой аттосекундной физике – дисциплине, изучающей взаимодействие электромагнитного излучения и материи  с временным разрешением порядка десять в минус восемнадцатой степени  секунды.

Основным инструментом данных исследований являются лазеры, способные генерировать аттосекундные  фотонные импульсы, подобно фотовспышкам, позволяющим не только наблюдать за квантовыми процессами внутри атомов, но и непосредственно влиять на их течение.

15 ноября 1971 года фирма Intel выпустила на рынок первый в мире коммерческий микропроцессор 4040, с тактовой частотой 740 КГц и производительностью около 90 Кфлопс.

Тогда же стало понятно, что ограниченность скорости света в совокупности с невозможностью бесконечной миниатюризации микропроцессоров является главным и непреодолимым физическим препятствием к увеличению их тактовой частоты и, следовательно, производительности. На сегодня, максимально – возможная тактовая частота микропроцессоров варьируется около 6гГц.

Одним из путей преодоления данного препятствия явилось создание многоядерных (сегодня – до 18 ядер)  процессоров и многопроцессорных комплексов.

Принципиально иной подход к решению данной проблемы состоит в том, что в, отличие от, используемых в обычных компьютерах,  классических объектов, в частности, ячеек памяти, способных в каждый момент времени находиться в одном состоянии, квантовые объекты могут одновременно находиться в нескольких различных состояниях. Таким образом, одна операция над такими  объектами, эквивалентна множеству действий над их классическими аналогами.

Впервые идея квантового компьютера была высказана в 1980 году, перебравшимся из СССР в  США,  математиком  Юрием Ивановичем  Маниным (1937 -2023).

Реализации данной концепции была связана с множеством трудностей. Например, необходимостью перевода рабочего вещества в состояние конденсата Бозе – Эйнштейна.

Впервые конденсат Бозе – Эйнштейна  был получен в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из Университета штата Колорадо. Учёные использовали, охлаждённый при помощи лазерных технологий, до 170 нК, газ из атомов рубидия. Шестью годами позже,  данный научный результат был отмечен Нобелевской премией по физике.


Весной 1998 года физики из IBM, MIT и Калифорнийского университета в Беркли создали первый в мире квантовый двухкубитный компьютер.

Главные недостатки данного компьютера состояли в том, что продолжительность периодов его  непрерывной работы определялось временем  когерентности кубитов, которое составляло всего несколько наносекунд.  Более того, и это – самое главное,  получаемые результаты вычислений обладали достоверностью около 70% и, таким образом, требовали перепроверки.

В декабре 2024 года сообщалось, что специалисты Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и, находящегося под эгидой РОСАТОМа, Российского квантового центра представили первый в России прототип 50-кубитного квантового компьютера.

23 декабря прошлого  года, в рамках российской дорожной карты по квантовым вычислениям, курируемой «РОСАТОМом»,  исследователи МГУ имени М. В. Ломоносова разработали и протестировали, построенный на базе одиночных нейтральных атомов рубидия,  прототип 72-кубитного  квантового компьютера.

Установка представляет собой оптический стол, большую часть которого занимает лазерная система, которая используется для охлаждения и управления состояниями атомов, а также  для создания оптических пинцетов.

При помощи магнитнооптической ловушки,  из паров рубидия осуществляется захват  отдельных атомов и их последующее лазерное охлаждение. Так создаются квантовые регистры из  атомов рубидия, каждый из которых представляет собой физический кубит.

Достоверность одно- и двухкубитных операций на созданном компьютере достигла 0.998 и 0.9, соответственно.

К 2030 году планируется создание машины на несколько сотен кубитов.

Развитие квантовых вычислений может обусловить радикальный прорыв во многих областях человеческой деятельности.

Моделирование молекулярных структур и химических реакций с помощью квантовых алгоритмов способствует разработке новых лекарств, материалов и катализаторов.

Например, квантовые симуляторы могут точно рассчитывать электронную структуру молекул и предсказывать их биологическую активность.

Симуляция квантовых систем. Например, решение задач по исследованию свойств и поведения сверхпроводников.

Исследование биомолекул и их взаимодействий с помощью квантовых компьютеров. Это важно для понимания природы сложных многофакторных заболеваний, таких как рак, диабет и нейродегенеративные расстройства.

Анализ геномных данных. Квантовые алгоритмы позволяют ускорить поиск генетических маркеров заболеваний и анализ последовательностей ДНК. Например, квантовые компьютеры могут эффективно решать задачи сопоставления геномных последовательностей, выявления мутаций и анализа экспрессии генов.

Разработка лекарств и молекулярное моделирование. Квантовые симуляторы могут точно рассчитывать электронную структуру молекул, предсказывать их биологическую активность и оптимизировать химические структуры для достижения максимальной эффективности при минимальных побочных эффектах.

Медицинская диагностика и обработка изображений. Квантовые алгоритмы машинного обучения способны более точно выявлять патологии, классифицировать заболевания и прогнозировать их развитие. Квантовое усиление в обработке сигналов позволяет улучшить качество медицинских изображений, снизить уровень шума и повысить разрешение, что особенно важно для ранней диагностики заболеваний.

Персонализированная медицина, прогнозирование возникновения и течения заболеваний. Квантовые алгоритмы могут анализировать многомерные данные, включающие генетическую информацию, клинические показатели, образ жизни, для создания индивидуальных профилей риска заболеваний и разработки персонализированных стратегий профилактики и лечения.

Обработка больших наборов данных и выполнение сложных вычислений в реальном времени. Например, необходимый для анализа рыночных тенденций и выявления скрытых паттернов, поиск в неструктурированных базах данных.

Моделирование сложных систем, например, финансовых рынков и управление инвестиционными портфелями.

Подводя итог, можно отметить, что сотрудничество одной из самых  высокотехнологичных госкорпораций, которой, несомненно, является РОСАТОМ и главного ВУЗа страны - МГУ позволяют во многом обеспечить обороноспособность, экономический и технологический суверенитет нашей Родины, обеспечить условия для экономического роста и всестороннего улучшения качества жизни наших соотечественников, дает  возможность смело смотреть в будущее.