НЦФМ — 5 лет

Мегаустановки науки будущего

Флагманские проекты НЦФМ — установки класса мегасайенс. В нацпроекте «Наука» этим термином обозначают проекты, которые превзойдут что-либо уже созданное, выведут за рамки существующих фундаментальных знаний и откроют новые возможности в технологическом развитии.

Ожидается, что мегаустановки НЦФМ позволят российской науке совершить то, что до сих пор никому в мире не удавалось, — например, раскрыть тайны нуклонной материи и нейтрино и даже «взорвать» вакуум. Они послужат важнейшими инструментами для получения знаний, без которых невозможно научное и технологическое лидерство в XXI веке.

Многофункциональный ускорительный комплекс с источником комптоновского излучения (ИКИ)

Этот источник гамма-излучения, основанный на обратном эффекте Комптона, позволит формировать сверхинтенсивное узкополосное гамма-излучение в широком диапазоне энергий, чтобы исследовать структуру и свойства атомного ядра на фундаментальном уровне.

Помимо этого, установка будет задействована при решении прикладных задач материаловедения, физики, химии, биологии, медицины, а также ядерной, энергетической и космической отраслей. Речь, например, о новых материалах, методах диагностики заболеваний, совершенствовании технологий получения энергии.

В 2029 году мы планируем ввести в строй первую очередь источника квазимонохроматического гамма-излучения на основе обратного комптоновского эффекта и начать экспериментальные исследования по проблемам ядерной фотоники.

Возможности, которые предоставит исследователям ИКИ НЦФМ, не может обеспечить ни одна научная установка в мире — таких источников гамма-излучения на сегодняшний день просто нет.

С его помощью мы сможем с ранее недостижимой точностью сканировать энергетическое и даже пространственное распределение нуклонов — протонов и нейтронов — в ядрах атомов.

Александр Сергеев
Научный руководитель НЦФМ, академик РАН

Текущий этап

В 2026 году дан старт работам по созданию ИКИ со сроком сдачи в 2031 году

Планы до 2030 года

Вывод на режим опытной эксплуатации — эксперименты первой волны

Формирование научной программы и подготовка экспериментов на всех шести станциях генерации ИКИ

Планы до 2040 года

Пуск в 2031 году источника квазимонохроматического гамма-излучения рекордной яркости

Проведение уникальных исследований в области экстремальных состояний вещества, ядерной фотоники и адронной физики

Центр исследования экстремальных световых полей (XCELS)

Его оснастят первым в мире лазером экзаваттной (10¹⁸ Вт) мощности — это в тысячу раз больше, чем у существующих установок.

Рекордная мощность позволит ученым исследовать фундаментальные свойства материи и пространства-времени в ранее недостижимых условиях. Это необходимо для развития как современной физики, так и материаловедения, энергетики, медицины, микроэлектроники и множества других высокотехнологичных прикладных областей.

В ходе одного из первых экспериментов мы планируем на этой установке взорвать вакуум. Чтобы понять, как устроен объект, можно его сломать — типичный прием, так дети учатся жизни. Пока мы не сломали атом, мы не знали, что он состоит из электронов и ядра.

Согласно современным физическим теориям, вакуум — это не пустота, а так называемое море Дирака, заполненное виртуальными частицами и античастицами. В сильных полях мы можем переводить частицы из виртуального состояния в реальное — и получим новые, уникальные данные об устройстве материи, о том, как появилась Вселенная.

Александр Сергеев
Научный руководитель НЦФМ, академик РАН

Текущий этап

Формирование научной и технологической базы для экспериментов с экстремальными световыми полями

Изготовление и тестирование оборудования

Планы до 2030 года

Пуск 2 из 12 каналов лазерной установки (по 50 петаватт каждый)

Получение электронно-позитронной плазмы со вторичным источником гамма-излучения

Планы до 2040 года

Вывод установки на экзаваттную мощность с пуском всех 12 каналов

Старт исследований нелинейных свойств вакуума

Суперкомпьютер с фотонным ускорителем

Создание фотонного вычислителя позволит обойти одно из ключевых технологических ограничений современности: постепенную утрату возможности делать компьютеры принципиально мощнее. Сегодня почти достигнут предел производительности традиционных электронных микрочипов: больше не работает знаменитый закон Мура об удвоении мощности ЭВМ каждые 1,5 года за счет миниатюризации аппаратной базы.

Применение фотонов (световых частиц) для записи, передачи и обработки информации решает проблему зависимости от ограничений полупроводниковой архитектуры. Вдобавок фотонные вычислители лишены таких недостатков электронных машин, как высокое энергопотребление, и обеспечивают преимущество в производительности при решении задач, связанных с анализом и обработкой больших объемов информации.

В НЦФМ намерены использовать их в качестве сопроцессоров (ускорителей) для классических суперкомпьютеров. Суперкомпьютер с фотонным ускорителем, который создают в НЦФМ, будет обладать производительностью до 10²² операций в секунду. Это сразу на 4 порядка (в 10 тыс. раз) быстрее мощнейшего современного суперкомпьютера — экзафлопсного El Capitan (США), который совершает 10¹⁸ операций в секунду. Такая производительность — только начало, ведь фотонная архитектура обеспечивает практически безграничную масштабируемость.

Фотонный процессор, к сожалению, не универсальный инструмент. Однако используя его в качестве сопроцессора с обычным суперкомпьютером мы получаем огромное преимущество в производительности при решении некоторых важнейших классов задач — таких, например, как перемножение матриц, то есть операции, которая широко используется при обучении нейронных сетей и фактически лежит в основе искусственного интеллекта.

Прототип компактного аналогового фотонного вычислительного устройства уже создан, он стал одним из первых результатов научной программы НЦФМ. Полученное устройство обрабатывает потоковую видеоинформацию в реальном времени со скоростью 12,5 тыс. кадров в секунду, что соответствует производительности 10¹⁷ операций в секунду, причем энергопотребление во много раз меньше, чем у самых передовых чипов сравнимой мощности.

Дмитрий Бисикало
Заместитель научного руководителя — главный ученый секретарь НЦФМ, академик РАН

Для чего нужен фотонный компьютер

Научные открытия

Фундаментальные исследования в физике, математике, химии, биологии и других разделах знания

Промышленное развитие

Разработка новых материалов
Оптимизация производств
Создание и внедрение инновационных продуктов и технологий

Искусственный интеллект

Расширение возможностей машинного обучения
Совершенствование архитектуры нейронных сетей
Создание более интеллектуальных систем и приложений

Медицина

Разработка новых лекарств
Разработка методов диагностики и лечения
Развитие персонализированной медицины

Климатические исследования

Точное климатическое моделирование
Прогнозирование погодных явлений
Совершенствование стратегий по борьбе с изменением климата

Оборона и безопасность

Точное климатическое моделирование
Разработка и испытания вооружений, систем защиты и разведки
Лидерство в технологиях кибербезопасности

Текущий этап

Разработка архитектуры суперкомпьютера

Создание и тестирование прототипов фотонных чипов и ускорительных устройств

Планы до 2030 года

Тестовые вычисления на первом модуле суперкомпьютера с фотонным ускорителем

Запуск прототипа гибридной электронно-фотонной машины производительностью до 10²⁰ операций в секунду

Планы до 2040 года

Запуск гибридной электронно-фотонной машины производительностью до 10²² операций в секунду

Обеспечение доступа для всех российских исследователей к созданной научной инфраструктуре

Проведение научных экспериментов и получение прорывных результатов

Интеграция с передовыми научными и промышленными центрами для решения задач фундаментальной и прикладной науки

Нейтринная обсерватория с мощнейшим в мире источником нейтрино

Обсуждается возможность включить в проект мегаустановок НЦФМ нейтринную обсерваторию, которая будет создана в Снежинске (Челябинская область). Главная цель этого научного комплекса — изучение так называемой новой физики: устройства микромира за пределами Стандартной модели элементарных частиц. Раскрыть тайны Вселенной ученым позволит регистрация магнитного момента нейтрино — уникальных «неуловимых» частиц, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом.

Физики НЦФМ планируют детально исследовать электромагнитные свойства нейтрино, эффекты их взаимодействия друг с другом и с атомами. В изучении магнитного момента нейтрино ученые намерены достичь точности измерений на 2 порядка (в 100 раз) выше, чем у лучших существующих мировых результатов.

Ключевую проблему — сложность детектирования этих частиц — исследователи обойдут с помощью революционного технического решения: обсерваторию оснастят искусственным источником нейтрино, не имеющим аналогов в мире. Он позволит физикам проводить контролируемые лабораторные эксперименты с высокой частотой, не дожидаясь редких «сигналов из космоса».

Нейтрино — это взгляд в новую физику, взгляд в новый мир. Эти частицы несут очень много информации, в том числе об устройстве микромира, но детектировать нейтрино крайне сложно. В нашей установке, которая будет построена в Снежинске, мы используем очень мощный источник нейтрино, такой, которого нет нигде больше в мире, и создадим самые чувствительные детекторы для того, чтобы изучать новые возможности.

Александр Сергеев
Научный руководитель НЦФМ, академик РАН

Текущий этап

Предпроектная подготовка

Формирование технических требований к параметрам детектора и источника нейтрино

Разработка моделей будущих экспериментов

Планы до 2030 года

Монтаж и тестирование ключевой инфраструктуры обсерватории

Пилотные запуски и калибровка оборудования на тестовых потоках частиц

Планы до 2040 года

Вывод источника нейтрино на проектную мощность

Запуск долгосрочных наблюдений

Получение первых заявленных результатов

Проверка гипотез «новой физики»

Фундамент для науки с приставкой «мега»

Невозможно построить прорывной ускоритель или фотонный суперкомпьютер на пустом месте. В качестве полигонов для создания мегасайенс-установок НЦФМ и разработки их научных программ послужит сеть из восьми лабораторий класса мидисайенс.

Это научно-исследовательские комплексы, оснащенные самым высокотехнологичным оборудованием мирового уровня. В них будут созданы и испытаны технологии, которые станут частью будущих мегаустановок.

Мидисайенс-лаборатории позволят запустить передовые исследования и создавать инновации, в том числе в области ИИ, новых материалов, медицины, уже в ближайшие годы. Именно здесь будут получать опыт сотни высококлассных специалистов, которые потребуются для работы на мегаустановках будущего.

От нас ждут результатов раньше 2030-х, когда развернется работа на установках класса мегасайенс. По этой причине мы инициировали программу создания так называемых лабораторий класса мидисайенс — с набором исследовательского оборудования по выбранным тематикам.

Их можно сделать быстрее, не так дорого и тоже на мировом уровне, опираясь на имеющиеся заделы. Под профиль таких лабораторий уже есть потребители, с задачами обеспечения технологического суверенитета.

Мы должны обеспечить уникальные научные лаборатории всем необходимым оборудованием и сделать это к 2028 году, когда завершится строительство Центра коллективного пользования, чтобы после этого можно было начать полномасштабную научную деятельность в НЦФМ.

Александр Сергеев
Научный руководитель НЦФМ, академик РАН

8

мидисайенс-лабораторий НЦФМ

Лаборатория фотонных вычислительных устройств

Создание фотонных сверхскоростных вычислительных систем

Лаборатория суперкомпьютерных двойников индустриальных объектов

Достижение нового уровня отечественных технологий суперкомпьютерного моделирования, ориентированных на супер-ЭВМ пета- и экзафлопсной производительности

Лаборатория сверхсильных оптических полей

Создание перспективных лазерных технологий нового поколения для лазерной установки XCELS и постановки критических экспериментов по экзаваттной физике

Лаборатория ядерной фотоники

Создание уникального источника гамма-излучения

Развертывание экспериментов в новой области физики — ядерной фотонике — для изучения свойств ядерной материи и строения вещества на ядерном уровне

Лаборатория сильных магнитных полей

Создание уникальной исследовательской базы для развития отечественной микро- и наноэлектроники, сверхпроводниковой техники

Лаборатория нейроморфного искусственного интеллекта

Создание нейроморфных вычислительных систем для задач технического зрения, управления робототехническими системами, обработки сигналов в составе инвазивных и неинвазивных нейроинтерфейсов

Лаборатория моделирования астрофизических и геофизических явлений

Исследования астрофизических явлений с экстремальными магнитными и электрическими полями, изучение воздействия пыли на космические аппараты, в том числе по программам полетов на Луну и Марс

Выявление возможностей адаптации живых систем к изменяющимся условиям

Лаборатория физики нейтрино

Поиск электромагнитных свойств электронного антинейтрино

Проведение первой в истории регистрации когерентного упругого рассеяния нейтрино на атоме

Обнаружение аксионов темной материи