разработчик в области квантовых технологий

В новом учебном году в НИЯУ МИФИ запускается первая в России образовательная программа «Квантовый инжиниринг». Учебный курс будет сформирован в Институте лазерных и плазменных технологий (Институт ЛаПлаз) университета по принципу «гринфилда», то есть с нуля

ак заметил академический руководитель программы, руководитель научной группы Российского квантового центра по созданию квантового компьютера на холодных ионах Кирилл Лахманский, «еще недавно слово “квантовый” употреблялось только учеными, занимающимися фундаментальными исследованиями. В последние годы квантовая физика вышла за пределы лабораторий и стала осваиваться бизнесом и индустрией. В результате резко возрос спрос на специалистов в области квантовых технологий».

Нехватка людей ощущается во многих научных лабораториях. Задача создания в России новой генерации специалистов по квантовым технологиям была заложена в том числе в дорожной карте по развитию квантовых технологий, утвержденной в 2020 году. Квантовые ученые-инженеры, как отметила куратор программы Яна Ляхова, смогут работать в передовых исследовательских центрах, в квантовых лабораториях. Среди них можно назвать Российский квантовый центр, департаменты РЖД, курирующих квантовые технологии в России, «Ростелеком», Сбер, лаборатории НИЯУ МИФИ, МИСИС, МГУ, ВНИИ автоматики им. Н. Л. Духова, другие университеты и институты в Томске, Ростове-на-Дону.


РАЗРАБОТЧИК В ОБЛАСТИ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Отраслей, затронутых квантовыми технологиями, становится все больше, но сегодня инвестиции со стороны бизнеса и индустрии идут в первую очередь в область квантовых коммуникаций и криптографии. Все более востребована технология кодирования и передачи данных в квантовых состояниях фотонов. Законы физики не позволяют измерить квантовое состояние так, чтобы оно не изменилось, поэтому квантовый канал связи невозможно прослушать незаметно для адресатов. Вот почему квантовые коммуникации и квантовые сети сегодня востребованы банками, государственными организациями и военными. Возникла постквантовая криптография, которая реализуется на классических компьютерах, но защищена от квантовых атак.

Про урокцифры:  УРОК ЦИФРЫ СРОКИ

На втором месте по востребованности квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, ионами, фотонами, электронами. Квантовые компьютеры, разработкой которых сегодня занимаются во многих странах мира, должны помочь моделировать сложные квантовые системы, а значит, синтезировать новые материалы, лекарства, сложные молекулы и решать некоторые вычислительные и оптимизационные задачи, недоступные для самых мощных классических компьютеров.


РАЗРАБОТЧИК В ОБЛАСТИ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

«Мы говорим, что наши выпускники — квантовые инженеры, имея в виду, что это инженеры, которые должны быть при этом еще и учеными. Потому что квантовые технологии еще не покинули научно-исследовательских лабораторий и любые устройства, даже те, которые уже поставляются, еще находятся на стадии научной разработки»

И третье направление — квантовая сенсорика и датчики. Квантовые системы чрезвычайно восприимчивы к колебаниям, поэтому квантовые сенсоры способны измерять малейшие различия в любых характеристиках, например температуре, ускорении, притяжении или времени. Это направление квантовых технологий, может быть, в меньшей степени представлено в бизнес-секторе, но тем не менее прецизионные измерения с использованием законов квантовой физики является сегодня одной из бурно развивающихся областей науки.

Стало ясно, что наука и промышленность нуждаются в новых специалистах — квантовых инженерах. « Причем, — поясняет Яна Ляхова, — мы говорим, что наши выпускники — квантовые инженеры, имея в виду, что это инженеры, которые должна быть при этом еще и учеными. Потому что квантовые технологии еще не покинули научно-исследовательских лабораторий и любые устройства, даже те, которые уже поставляются, например устройства квантовой криптографии, еще находятся на стадии научной разработки. Поэтому специалисты по квантовому инжинирингу должны быть такими учеными, которые в своих фундаментальных исследованиях уже видят конкретный вариант их применения».


РАЗРАБОТЧИК В ОБЛАСТИ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Куратор программы «Квантовый инжиниринг» Яна Ляхова

Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Карьера после окончания вуза по программе “Физика квантовых систем и квантовые технологии”

Возможные места трудоустройства выпускников – научно-исследовательские центры и институты, институты РАН, промышленные лаборатории, государственные органы управления, образовательные учреждения, организации различных форм собственности, организации индустрии и бизнеса, осуществляющие:

Объектами профессиональной деятельности бакалавров  являются:

Трудоустройство и зарплата выпускников бакалавриата вузов России по специальности “Физика”

Доля трудоустройства выпускников

Средняя заработная плата

Программа “Физика квантовых систем и квантовые технологии” реализуется в рамках специальности 03.03.02 Физика. Информация приводится по выпускникам вузов России, окончившим бакалавриат по специальности “Физика”, на основе данных Пенсионного фонда России о выплатах выпускникам 2016-2017 года.

Обновление данных производится в соответствии с публикациями официальных отчетов мониторинга трудоустройства выпускников Министерства образования и науки Российской Федерации, размещенных на сайте graduate.edu.ru.

2 варианта обучения по программе в 
1 вузе России

Программы образования в России

Квантовая механика – раздел физики, занимающийся изучением поведения элементарных частиц в различных условиях. Процессы, происходящие на таком микроуровне, часто противоречат многим законам классической физики и механики. Доказано, что на микроуровне частицы ведут себя совсем не так, как ведут себя макрообъекты, состоящие из этих частиц, и подчиняются совсем другим физическим законам. Например, согласно принципу суперпозиции, квантовая частица может одновременно быть в нескольких местах и состояниях. Этот принцип описывается с помощью мысленного эксперимента с котом в коробке, предложенного австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шрёдингером.

За время развития квантовой механики ученые научились управлять квантовыми свойствами больших ансамблей частиц. Сегодня многие технологии, которые не кажутся нам такими уж новыми, работают на принципах квантовой механики. Например, работа лазера или транзистора основана на принципах квантовой механики. Работа самой обычной флешки опирается на эффект туннелирования, то есть способность частицы «проходить сквозь стену». Конечно, речь не идет о кирпичной стене. Частицы могут взаимодействовать друг с другом, например, в атоме электрон притягивается к ядру, так как электрон заряжен отрицательно, а ядро положительно. Оторвать электрон от ядра не просто, поскольку это притяжение создает как называемый потенциальный барьер. Вот этот барьер физики и считают стенкой. В классической физике, если у частицы энергия меньше «высоты барьера», то преодолеть барьер нельзя. Скажем, если пускать мяч в горку, он может перекатиться через вершину, только если его скорости хватит чтобы достигнуть вершины. В данном примере мяч преодолевает барьер, созданный гравитацией. В квантовом же мире мяч может оказаться на другой стороне на середине подъема, то есть протуннелировать. В квантовом мире – через не слишком толстый барьер с некоторой вероятностью частица может проскочить. Именно на этом принципе работает флеш-память, которую мы используем везде, от телефонов до видеокамер. Именно использование квантовых эффектов позволило сделать флеш-память такой компактной и быстрой.

Однако сегодня перед физиками стоит большая задача: научиться управлять квантовыми свойствами индивидуальных частиц. То есть в основе такой технологии лежит управление состоянием одной частицы: электрона, фотона, протона и т.д. Как отмечают эксперты, основные перспективные области для применения квантовых технологий – это вычисления и вычислительная техника, сенсорика, то есть восприятие машинами окружающей реальности, и телекоммуникации и связь. Уже сегодня, по результатам первых достижений в этом направлении, появились суперчувствительные квантовые датчики, мощные квантовые компьютеры и квантовая криптография, выводящая шифрование данных на новый уровень.

Квантовые датчики делают измерения и оценку состояний объектов более точной. Например, такой датчик может фиксировать изменение температуры в отдельно взятой органелле клетки при проведении каких-либо биологических или медицинских исследований. Также квантовые датчики, применяемые в медицине, могут диагностировать определённые болезни на ранних сроках, когда никакое другое оборудование не может выявить болезнь.

Квантовый компьютер позволяет существенно сократить время сложных вычислений, на которые бы у обычной машины ушли бы годы. Сейчас квантовые компьютеры используются для решения узкоспециализированных задач при работе с огромными наборами данных, когда необходимо контролировать несколько вариаций этих данных, однако в будущем, отмечают эксперты, квантовые компьютеры могут использоваться и для решения обычных пользовательских задач.

Появление квантовой криптографии отчасти связано с созданием квантовых компьютеров. Дело в том, что сейчас вся защита информации, размещенной в интернете, основана на сложности вычислений. По сути, она основана на нашей вере в то, что разложить составное многозначное число на множители из простых чисел достаточно сложно и очень долго. Это трудоемкая задача даже для машины, а при увеличении длины разлагаемого числа на простые сложность задачи растет кратно. Квантовый компьютер значительно сокращает это время: задачу, которая могла бы решаться веками, он может решить за ночь. Квантовая криптография обеспечивает защиту информации на математически строгом уровне, основывая сам принцип защиты информации на сложных математических вычислениях, в противовес простому разложению сложного числа на простые. При использовании квантов в криптографии ключ, который служит для дешифровки передаваемой зашифрованной информации, передается с помощью одного фотона, одной частицы, которая при перемещении от отправителя зашифрованного сообщения к получателю не может быть незаметно перехвачена и скопирована. В самом квантовом состоянии этого фотона кодируется ключ. Если фотон дошел до адресата без изменений, это значит, что ключ точно секретный. Прочитать такой ключ можно всего один раз, дальше квантовое состояние частицы меняется.

Не отстают квантовые технологии и в более простых и обыденных вещах, таких, как телевизор или лампочки освещения. Сегодня в эти области активно пробивают себе дорогу квантовые точки и квантовые ямы, которые за счет эффектов квантового ограничения позволяют получить яркие цвета с малыми энергетическими затратами.

Квантовые технологии сегодня – одно из перспективных направлений развития науки в России. Однако, то, что сейчас сделано учеными – только первые шаги в изучении и освоении этой технологии, в будущем ученым предстоит сделать еще очень многое. Уже через несколько лет эксперты ожидают настоящий технологический прорыв в этой области и появление новых устройств, которые полностью изменят нашу жизнь, как раньше это сделали компьютеры, интернет, мобильные телефоны и многие другие устройства, без которых современный человек не представляет жизни.

Разработчик в области квантовых технологий – это ученый, который, используя знания и принципы квантовой механики, а также физические явления, происходящие на уровне малых частиц, работает над созданием квантовых устройств. Так как квантовые технологии охватывают множество областей, то специалист может работать в разных направлениях, например, разрабатывать процессор для квантового компьютера, или устройства для шифрования данных.

Сегодня эта профессия только формируется. Это специалист, стоящий на стыке нескольких профессий, при этом понимающий современную физику и разные аспекты современных технологий. Он должен быть и нанотехнологом и электроинженером и оптиком одновременно, и еще немного математиком и химиком. И, кроме того, обладать пониманием квантовой механики.

Сегодня квантовые технологии требуют универсальных людей, способных как провести расчеты, так и «протравить» свою разработку на чипе и разработать работающую электронную схему, и уметь смешивать химические реактивы и пр.

Как стать специалистом?

Проценты отражают распределение специалистов с определенным уровнем образования на рынке труда. Ключевые специализации для освоения професии отмечены зеленым цветом.

Дополнительное образование для взрослых

Обязательные этапы дополнительного образования для освоения профессии закрашены зеленым цветом.

Видео о профессии

https://youtube.com/watch?v=EqAYSvxDny0

Профессия в лицах

Юрий Курочкин, кандидат физико-математических наук, руководитель группы квантовых коммуникаций Российского квантового центра.
Окончил Московский Физико-технический Институт в 2007 году, в 2012 году з

Алексей Акимов – кандидат физико-математических наук, профессор Техасского Университета A&M, руководитель совместной лаборатории RQC-ФИАН (Сколково).
Алексей закончил Московский Физико-технический Инс

Как готовить квантовых инженеров

Вот почему специалист по квантовому инжинирингу, как говорит Кирилл Лахманский, «это прежде всего специалист, обладающий глубокой подготовкой по физике и математике, который должен уметь хорошо программировать и обладать практическими навыками для работы с конкретным оборудованием. И обучение квантовому инжинирингу в МИФИ будет вестись в рамках направления “Прикладные математика и физика” и будет отвечать стандартам хорошей, глубокой физматподготовки. Чтобы стать квантовым инженером, нужно быть не только талантливым физиком экспериментатором, но нужно быть также и теоретиком и понимать, каким образом работает электроника, лазеры, оптика».

Студент, который придет на эту образовательную программу, уже с первого курса начет изучать введение в квантовые технологии, а со второго курса займется также лабораторным практикумом (в том числе на оборудовании, которое закуплено по поддержавшей проект программе «Приоритет 2030»). На протяжении всего обучения студентов ждет непрерывный цикл теоретических и практических занятий. Ребята смогут освоить полный спектр экспериментальных и теоретических методов, необходимых для разработки и создания квантовых устройств и систем. Они будут изучать лазерную физику, фотонику, квантовую оптику, современную теорию конденсированного состояния, многочастичную квантовую физику, топологию и многое другое. Запланирован большой объем занятий по IT-направлениям: два языка программирования, среды символьных вычислений и даже программирование симуляторов квантовых компьютеров.

«Чтобы стать квантовым инженером, нужно быть не только талантливым физиком экспериментатором, но нужно быть также и теоретиком и понимать, каким образом работает электроника, лазеры, оптика»

Как пояснила Яна Ляхова, «уже с конца первого курса мы начинаем рассказывать нашим студентам про квантовые технологии, про квантовую механику, а со второго курса у них начинается практикум, и он до конца обучения не заканчивается. Мы рассчитываем на то, что ребята будут активно участвовать в соревнованиях формата World Skills, это, кстати, еще одна площадка, где мы для них можем находить работодателей».

Для реализации учебного курса удалось собрать сильную экспертную группу из сотрудников МИФИ, Российского квантового центра и Математического института РАН имени В. А. Стеклова. В создании программы принимают участие люди, являющиеся признанными экспертами в этой области, имена многих из них известны во всем мире.

Причем на бакалавриате студентов не предполагается жестко делить на экспериментаторов и теоретиков, планируется, что выпускники программы должны уметь и проводить расчеты, и программировать, и управлять оборудованием, а специализироваться по своим интересам студенты смогут на старших курсах за счет дисциплин по выбору и увеличенного по сравнению со стандартными учебными планами количества часов на научную работу. В рамках научной работы студенты смогут специализироваться в том направлении, которое им ближе, будь то практика, теория, коммуникации и криптография, вычисления или сенсоры.

Подготовлено на основе материалов, предоставленных пресс-службой МИФИ

Интересные факты

Единица информации, обрабатываемой обычным компьютером, называется бит. Значение бита может быть равно 0 или 1. В квантовом компьютере единицей информации служат кубиты, которые также могут иметь два положения, но есть у них и третье — одновременно 1 и 0.

14 декабря 1900 года – один из самых важных дней в развитии науки физики. Именно этот день считается днем рождения квантовой теории, легшей в основу формирования квантовой механики – одного из разделов теоретической физики. 14 декабря Макс Планк на заседании Немецкого физического общества зачитал свою статью «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», в которой предложил универсальную постоянную h, впоследствии названную в его честь – постоянной Планка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *