Мир из кубитов

Долгое время квантовая физика и материаловедение развивались как совершенно разные научные дисциплины, имевшие мало общего. Однако с недавних пор перед ними встала одна и та же задача: сделать работоспособный квантовый компьютер, способный превзойти своими характеристиками «обычный» суперкомпьютер. Именно поэтому в НИТУ «МИСиС» открыли новое образовательное направление в рамках программы PhD Integrated.

Квантовый компьютер был описан почти 40 лет назад — идею создать квантовое устройство для расчета поведения квантовых систем выдвинул Ричард Фейнман в начале 1980-х годов. Теория предсказывала, что достаточно мощной квантовой машине могут быть под силу такие задачи, для решения которых обычным суперкомпьютерам потребовались бы миллиарды лет.

Однако квантовые вычислители, пригодные для практических применений, не созданы до сих. Ученым и инженерам пока удается создавать экспериментальные устройства, не способные всерьез соперничать с обычными, «классическими» компьютерами.

Главная проблема на пути создания квантовых компьютеров — декогеренция, иначе говоря, разрушение состояний элементов квантовой ЭВМ — кубитов. Квантовое устройство состоит из множества таких кубитов, каждый из которых должен находиться в определенном состоянии — в них кодируются условия задачи. Процесс ее решения сводится к взаимодействию кубитов.

К сожалению, квантовые состояния очень неустойчивы, они легко разрушаются от шумов, колебаний температуры. «Время жизни» кубита для нормальной работы квантовой машины должно превышать время расчета.

Один из типов кубитов, сверхпроводящий кубит на базе контактов Джозефсона, сегодня рассматривается как самая перспективная основа для квантовых компьютеров. Однако его свойства в значительной степени зависят от свойств материала — микроскопических дефектов, отклонений от формы, трещин, перепадов плотностей, примесей.

Получается, что прогресс в области квантовых вычислений оказался в руках материаловедов — именно они изучают свойства материалов на микроуровне.

Новая дисциплина на стыке этих двух направлений получила название «квантовое материаловедение», и НИТУ «МИСиС» уже сейчас ведет исследования и разработки в этой области. Недавно группа ученых из НИТУ «МИСиС» и Технологического института Карлсруэ придумала еще один способ повышения устойчивости сверхпроводящих кубитов. Исследователи сделали джозефсоновские контакты не из обычного, а из гранулированного алюминия, что сильно повысило качество кубита.

Кстати, первый российский кубит был также создан в 2015 году с участием ученых НИТУ «МИСиС».

Этот опыт позволил вузу запустить целое образовательное направление, «Квантовое материаловедение».

Материаловедение — одно из основных направлений научных исследований в НИТУ «МИСиС». Университет также имеет серьезную научную школу по сверхпроводимости и квантовым эффектам, основанную нобелевским лауреатом Алексеем Абрикосовым. Руководит программой «Квантовое материаловедение» доцент Алексей Башарин.

«Мы находимся на пороге второй квантовой революции. Эффекты квантовой физики входят в повседневную жизнь. Появляются квантовые устройства, компьютер, квантовые сенсоры. Для всех этих приборов уже нужны квантовые материалы. Цель направления — подготовить специалистов для этой отрасли. Это не просто физики, занимающиеся квантовой физикой, или материаловеды, изучающие классические металлы, диэлектрики, жидкости. Наши магистранты и аспиранты исследуют именно квантовые материалы с квантовыми эффектами. Это совершенно новое направление», — говорит Башарин.

Помимо кубитов квантового компьютера, это мета- и наноматериалы, свойства которых можно задавать на атомарном уровне.

Система предполагает обучение в течение пяти лет, два года в магистратуре и три года в аспирантуре. После защиты магистерской диссертации новоиспеченный магистр имеет право закончить обучение, но траектория ориентирована на то, чтобы магистры продолжали исследовательскую деятельность в аспирантуре.

«В первую очередь мы хотим видеть в наших выпускниках конкурентоспособных постдоков, которые могут идти в любой вуз и научный мировой центр любой страны», — объясняет Башарин. По его словам, система Integrated PhD будет эффективнее обычной магистратуры, потому что последняя не «заточена» под ученых.

«Отличительная особенность Integrated PhD в том, что абитуриент поступает не на программу, а к определенному ученому. Он идет именно заниматься наукой и через пять лет выходит уже ученым», — говорит руководитель программы.

Направление возглавляет кафедра теоретической физики и квантовых технологий. При этой кафедре существуют две лаборатории, «Сверхпроводящие метаматериалы» и «Моделирование и разработка новых материалов». Это успешные лаборатории международного уровня, созданные за счет мегагрантов. В лабораториях будет проходить около половины обучения, причем время на работу в них студентам ограничивать не собираются.

По словам Алексея Башарина, раньше во многих вузах существовала проблема: студентов в серьезные лаборатории не допускали. Молодые исследователи делали учебные лабораторные, но в крупных проектах не участвовали. «Здесь как раз у них будет такая возможность — перенять опыт старших коллег, поработать с первоклассным оборудованием», — говорит Башарин.

Кроме того, для студентов доступны гранты и долгосрочные стажировки как в России, так и за рубежом. В числе университетов — партнеров НИТУ «МИСиС», например, Технологический институт Карлсруэ в Германии, Саутгемптонский университет в Великобритании, университет Крита в Греции, Сколковский институт науки и технологий — Сколтех, Институт теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН и так далее.

Выпускники программы, по замыслу ее разработчиков, помимо академической карьеры смогут работать, например, и в научных центрах таких компаний, как Huawei, и на оборонных предприятиях, где есть потребность в научных кадрах по квантовому материаловедению.

Алена Кудлаева