Квантовые технологии помогут людям создать настоящий (а не псевдо-, не «софтовый») генератор случайных чисел. А учёные ЮУрГУ примут участие в разработке эталона спектральной яркости излучения, который послужит метрологам ВНИИМ стандартизировать работу квантовых приборов.
Измерения будущего
Без квантовых сенсоров невозможны квантовые технологии. Как иначе работать с фотонами, состояние которых не определить «невооружённым» глазом.
Квантовые технологии помогают реализовать и множество вещей, полезных в быту. Например, пресса пишет о «квантовых» часах, которые будут точнее и надёжнее кварцевых. Космос, сейсмология, медицина, навигация и новые IT-технологии – где только ни применимы приборы будущего, основанные на законах квантовой механики.
Несколько лет назад в России решили стратегически взглянуть на разработку квантовых сенсоров и составить дорожную карту развития технологий.
«Было дано поручение подготовить дорожные карты: квантовые вычисления достались Росатому, квантовые коммуникации – РЖД, а квантовые сенсоры – Ростеху, – говорит заведующий лабораторией «Квантовая инженерия света» ЮУрГУ Сергей Кулик. – Дорожная карта Ростехом была подготовлена, и я считаю её не просто лучшей, она была прямо ориентирована на поддержку тех разработок, по которым уже имелся задел, и за короткое время (2–3 года) можно было довести их до уровня готовности TRL 7–8 баллов из максимальных 9. Но по ряду причин карта не была запущена. Часть упомянутых разработок оказалась поддержана другими дорожными картами. Среди них генератор случайных чисел, источник и детектор одиночных фотонов – это всё разновидности квантовых сенсоров».
Подлинная случайность
Генератор случайных чисел знаком каждому компьютерщику. Где они только ни используются: от криптографии до цифровых лотерей. Однако создаваемая компьютером «случайность» не вполне настоящая. Ещё шестьдесят лет назад в старой книге «Искусство программирования» Дональда Кнута были описаны алгоритмы получения «случайных» чисел, упоминалась также возможность формировать случайные числа по колебаниям параметров электроэнергии в сети.
«Для подлинного генератора нужен физический эффект, дающий случайность или источник энтропии, – отмечает профессор Сергей Кулик. – Такие эффекты есть в квантовой механике, и вообще настоящая случайность возможна только там. Генератор случайных чисел, построенный на явлениях классической электродинамики, на самом деле не случаен: всё описывают уравнения Максвелла, которые дополняются начальными условиями. А для квантовой механики случайность – принципиальна!»
Стандарты для квантовых приборов
«Здесь, в ЮУрГУ, мы занимаемся абсолютной квантовой фотометрией. Теория существует давно, ещё в начале семидесятых годов прошлого века ею заинтересовался профессор Давид Клышко в МГУ, но вышло так, что он со своими идеями сильно опередил своё время», – говорит профессор Сергей Кулик.
Для измерений, основанных на законах квантовой механики, нужны свои метрологические стандарты.
«Задача в том, чтобы создать новые эталоны фотометрии, которые не основаны на других, первичных эталонах, – дополняет профессор Сергей Кулик. – Таким эталоном являются нулевые флуктуации вакуума. Существует минимальная абсолютная величина – один фотон в моде излучения. Эта величина не зависит от наших действий или параметров окружающей среды, таких как температура. Её можно использовать в качестве базовой в фотометрии».
Создание в ЮУрГУ эталона спектральной яркости излучения, основанного на нулевых флуктуациях вакуума, может быть поддержано в рамках государственного заказа.
«Недавно мы с президентом ЮУрГУ Александром Шестаковым посетили Санкт-Петербург, ВНИИМ (Всероссийский институт метрологии имени Д. И. Менделеева), обсуждали наши разработки, и учёные северной столицы к ним проявили большой интерес. В разработке стандартов важна связка физиков с метрологами, учёные не доведут дело до конца, в определённый момент должны вступить метрологи-практики. Важно, чтобы они на первых стадиях работы уже активно участвовали и говорили, что им нужно для доведения разработки до готового метрологического устройства», – пояснил профессор Сергей Кулик.