«Наша задача — превращать научные знания в рыночные технологии»

Новый ускоритель частиц, лазер для «кипячения» вакуума и вычислительная машина со светом вместо электричества — к 2030 году в Национальном центре физики и математики (НЦФМ) заработают три установки класса «мегасайенс». Так в нацпроекте «Наука» называют исследовательское оборудование, которое превзойдет что-либо созданное, выведет за рамки существующих знаний, откроет новые возможности в развитии технологий. НЦФМ — научный городок нового поколения, его создали близ закрытого города Сарова (Нижегородская область) в 2021 году согласно указу президента РФ. Сегодня это крупнейший в стране проект по развитию научно-исследовательской инфраструктуры мирового уровня. О том, как он устроен, рассказал научный руководитель НЦФМ академик РАН Александр Сергеев.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— НЦФМ создается близ Сарова — там же, где зародилась советская атомная программа. Почему была выбрана именно эта локация?

— Причина очень простая: здесь расположен Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики. Это крупнейший научно-технический институт страны, где работает более 24 тыс. человек. Здесь десятилетиями концентрируется наша передовая наука. Плодом которой, к слову, является российский ядерный щит — технология, гарантирующая будущее нашей страны.

— Вице-премьер Дмитрий Чернышенко как-то охарактеризовал НЦФМ как «DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США.— “Ъ-Review”) наоборот». Вы согласны с этим сравнением?

— Безусловно, так и есть. Эти коллеги за океаном работают над тем, чтобы ставить передовую гражданскую науку на военные рельсы. У нас же обратный случай: наша оборонная наука полна технологий, которые тот же «Росатом» сегодня активно транслирует на гражданский рынок, от энергетики до медицины.

Вообще, это сегодня наша ключевая задача — как можно скорее превращать научные знания в рыночные технологии. Я бы сказал, сейчас как никогда силен спрос на практическое применение нашей научной базы. Для того чтобы быть высокотехнологичной державой, необходимо не просто заниматься импортозамещением, а все-таки работать над достижением технологического лидерства. Как минимум по принципиально важным, стратегическим направлениям.

— О каких стратегических направлениях идет речь?

— В этом году мы празднуем 80-летие российской атомной промышленности. Она зарождалась в период, когда человечество открыло и начинало осваивать новый источник энергии — расщепление атомного ядра. Американцы первыми продемонстрировали его военное применение, мы — мирное. Сегодня мы предполагаем, что станут возможны новые, гораздо более эффективные способы получения энергии, которые коренным образом изменят мировой уклад, как ядерные технологии в свое время.

К появлению таких новых источников энергии могут привести передовые исследования микромира. Открытия, связанные с лучшим пониманием его самых фундаментальных процессов, сегодня витают в воздухе и ждут соответствующей научно-технической базы. Создать ее и такие открытия совершить — основная задача НЦФМ.

— Одной из мегасайенс-установок НЦФМ станет многофункциональный ускорительный комплекс с источником комптоновского излучения (ИКИ). Чем он будет отличаться от тех, которые уже существуют?

— Возможности, которые предоставит ИКИ НЦФМ, не способна обеспечить ни одна научная установка в мире: таких источников гамма-излучения на сегодняшний день просто нет. Он позволит революционизировать представления о фундаменте материального мира — нуклонной и кварковой материи. Например, с его помощью мы сможем с ранее недостижимой точностью сканировать энергетическое и даже пространственное распределение нуклонов — протонов и нейтронов — в ядрах атомов.

Ключевым преимуществом ускорителя станет его многофункциональность. У него будет не просто очень высокая энергия излучения — ее можно будет варьировать в беспрецедентно широком диапазоне. Это позволит работать со множеством различных ядер и проводить самые разные исследования: фотоядерные реакции, физика изомеров, ядерная спектроскопия и многое другое.

В результате перед нами откроются ранее недостижимые перспективы в развитии теории атомного ядра. У этого, как вы понимаете, множество практических приложений: тут и новые источники энергии, и интересы ядерно-оружейного комплекса, и новые методы переработки ядерных отходов, решение множества проблем материаловедения, неразрушающего контроля и безопасности, наконец, биология и медицина, включая диагностику и лечение заболеваний.

— В рамках второго мегапроекта в НЦФМ собираются построить мощнейший лазер в истории. Для чего это понадобилось?

— Лазер, который мы строим, имеет эксаваттный (10¹⁸) уровень пиковой мощности. Это на три порядка (в тысячу раз) больше максимальной мощности существующих исследовательских лазеров, которая измеряется в петаваттах (10¹⁵). Например, в нашей стране есть лазер с мощностью 3 петаватта, он расположен в Институте прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова РАН в Нижнем Новгороде.

Для сравнения, установленная мощность всех рукотворных источников энергии на нашей планете измеряется в тераваттах, что в тысячу раз меньше той, которую выдает нижегородская установка. Как известно, мощность — это энергия, деленная на время. То есть такие лазеры физически возможны потому, что чудовищную мощность выдают на очень коротком временном интервале, порядка 10^–14 секунд.

Теперь же в нашем распоряжении окажется мощность еще в тысячу раз больше. И она послужит инструментом для познания физики на самом фундаментальном уровне: с ее помощью мы надеемся расщепить — или, как принято говорить, «вскипятить» — вакуум.

— Что это значит?

— Мы планируем фокусировать на вакууме очень интенсивное излучение, чтобы увидеть, что же из этого вакуума будет рождаться. Дело в том, что вакуум — это вовсе не пустота, а целое море постоянно возникающих и взаимно аннигилирующих виртуальных пар «частица—античастица». Мы ожидаем, что эксаваттная мощность позволит за ничтожное время жизни такой пары ускорить ее до чудовищных энергий, достаточных для ее расщепления. В результате виртуальные частицы превращаются в реальные — вакуум как будто «вскипает» электронами и позитронами, возникающими словно из ниоткуда.

— Что это даст исследователям?

— Это даст нам понимание структуры и энергии вакуума, с которыми связаны очень многие загадки современной фундаментальной физики, в том числе темная материя и темная энергия. С одной стороны, эти исследования позволят нам заглянуть за пределы всех нынешних представлений о самых основах физического мира, чего не делал еще никто. С другой — потенциально они открывают дорогу к появлению принципиально новых способов получения энергии.

— Третья мегаустановка — фотонная вычислительная машина. Зачем она нужна и чем отличается от привычных электронных компьютеров?

— Мы любим шутить, что две установки строим для физиков, а третью — для математиков. А какая может быть исследовательская установка у математиков кроме головы? Суперкомпьютер. Мощнейший сегодня — американская установка El Capitan в национальной лаборатории в Ливерморе, штат Калифорния, производительностью почти 3 эксафлопс (3*10¹⁸ операций в секунду). Фотонный вычислитель НЦФМ будет на четыре порядка быстрее: он сможет выполнять до 10²²; операций в секунду.

— Чем обеспечен такой отрыв?

— Классическая технология ЭВМ на полупроводниках подходит к лимиту своих возможностей: закон Мура об удвоении производительности компьютеров каждые полтора года перестал работать из-за физических ограничений. Фотонная вычислительная машина — это принципиально иная технология, в которой для записи, передачи и обработки информации используются не электроны, а кванты света — фотоны. Это дает колоссальные преимущества в производительности при анализе и обработке больших объемов информации.

— Что на этой машине будут вычислять?

— Среди примеров операций, с которыми такие процессоры могут справляться быстрее традиционных супер-ЭВМ,— самые востребованные сегодня задачи. Например, распознавание образов в реальном времени — тут применения самые разные, от экологического мониторинга до обороны. Или расчет моделей сложных систем и процессов, создание цифровых двойников, без чего сегодня не обходится ни одна из высокотехнологичных отраслей. Так, все эксперименты на двух других мегасайенс-установках НЦФМ будут сперва обкатываться на их цифровых двойниках.

Наконец, обучение нейронных сетей. В основе такой процедуры лежит операция перемножения матриц, с чем фотонный компьютер справляется на порядки быстрее традиционных ЭВМ, расходуя при этом в десять раз меньше энергии.

Правда, сам по себе фотонный вычислитель не универсален, классические электронные для многих задач эффективнее. Поэтому речь идет о применении гибридных фотонно-электронных систем: фотонный вычислитель разрабатывается в качестве сопроцессора, то есть дополнения к классическому электронному процессору, который будет обеспечивать преимущество в решении отдельных задач.

— Когда мегасайенс-проекты будут готовы?

— К 2030 году, причем в этот срок планируем не только продемонстрировать, что все три установки работают, но и запустить на них эксперименты.

— Помимо них в НЦФМ прямо сейчас реализуют проекты поменьше — семь лабораторий класса «миди-сайенс». В чем их назначение?

— С одной стороны, эти семь лабораторий сами по себе нужны для решения актуальных задач важнейших направлений нашей фундаментальной и прикладной науки. С другой — это промежуточный этап на пути к созданию трех наших мегаустановок. Когда лаборатории заработают, туда из институтов РАН и ядерных научных центров переместится разработка проектов «мегасайенс», экспериментов для них.

Одна из лабораторий будет целиком посвящена созданию фотонных вычислителей, соседняя — разработке суперкомпьютерных двойников индустриальных объектов, еще одна — работе над различными технологиями искусственного интеллекта, включая техническое зрение, управление робототехникой, обработку сигналов нейроинтерфейсов.

В разработке эксаваттного лазера будет участвовать лаборатория сверхсильных оптических полей, универсального ускорителя с ИКИ — лаборатория ядерной фотоники. В лаборатории сильных магнитных полей займутся созданием научно-исследовательской базы для развития российских полупроводников, микро- и наноэлектроники. Наконец, в седьмой лаборатории — моделирования астрофизических и геофизических явлений — будут вести исследования по программам будущих российских полетов на Луну и Марс. Создание лабораторий завершится в 2027 году, первые эксперименты в них запустят к началу 2028-го.

— Научная программа НЦФМ в целом очень обширна, она включает 11 направлений. Расскажите, пожалуйста, о принципах их отбора — кто и как его осуществлял?

— Отбором занималось российское научное сообщество. Дело в том, что НЦФМ — это кооперация 60 институтов РАН, госкорпорации «Росатом», Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ, НИЦ «Курчатовский институт», Объединенного института ядерных исследований, Минобрнауки, МГУ им. М. В. Ломоносова, других ведущих российских университетов и высокотехнологичных компаний. В этой кооперации более 2 тыс. ученых со всей страны, а организует их работу научно-технический совет НЦФМ. Этот коллективный орган и определяет состав научной программы.

При выборе направлений смотрели прежде всего на те, в которых возможны реальные прорывы. Не менее важным критерием служила значимость тех или иных исследований для решения задач, стоящих перед страной.

Список направлений периодически пополняется — изначально в нем было девять пунктов, затем добавились «цифровое материаловедение» и «лабораторная астрофизика и геофизика». Не исключаю, что 12-м направлением станут квантовые технологии — как квантовые вычисления, так и квантовые коммуникации.

— Как известно, сотрудников НЦФМ готовят в филиале МГУ им. М. В. Ломоносова в Сарове (МГУ Саров). Хватает ли желающих туда поступить, достаточно ли магистров и аспирантов успешно выпускаются?

— Проблем с набором и выпуском нет. Мы набираем выпускников ведущих вузов со всей страны — желающих связать свою судьбу с нашими крупнейшими научными центрами среди них немало. В 2025 году у нас состоялся уже третий магистерский выпуск. Первый набор был в 2021-м, тогда учиться пришли 50 ребят. Сегодня мы расширили набор до 80 человек — по 40 на физику и на математику. Половина наших магистров остается учиться в аспирантуре.

Все места у нас бюджетные, учащимся платим достойные ежемесячные стипендии: 55 тыс. руб. магистрантам, 75 тыс. руб.— аспирантам. Практикуются ребята в лабораториях НЦФМ — те, кто устраивается туда на подработку, получают еще больше. Плюс условия для жизни у нас на кампусе — одни из лучших в стране. Правда, учиться реально непросто. Всем, кто поступил, приходится по-настоящему вкалывать — это совершенно точно не синекура.

— Зато, наверное, проблем с трудоустройством у ваших выпускников не бывает?

— Именно так. И хочу подчеркнуть: вовсе не потому, что их куда-то насильно распределяют, каждый сам делает выбор. Кто-то идет «закрытым» физиком развивать обороноспособность страны в ядерный центр. Другие, наоборот, хотят заниматься открытой гражданской наукой, ездить в командировки по разным странам, дружить со всем миром — и тоже востребованы в организациях, реализующих проект НЦФМ.

В таких учреждениях остаются работать около половины выпускников. Остальные идут в организации «Росатома», а также в разные другие сферы вплоть до банковского дела. И это нормально. Мы довольны нашей широкой востребованностью, ведь наш выпуск двигает вперед всю страну.

Илья Арзуманов