Космический спутник, квантовая память, диагностика по зрачку…
5 научных идей, над которыми работают в КНИТУ-КАИ
Ученые, студенты и аспиранты из технического университета прямо сейчас работают над полезной нагрузкой для спутника формата CubeSat. Разрабатывают квантовую память для суперкомпьютера и технологии для интернета на квантовой основе. Придумывают, как мгновенно определить, можно ли выпускать водителя в рейс. Совершенствуют аддитивные технологии производства сложнейших деталей для космических кораблей. Многие передовые проекты КНИТУ-КАИ разрабатываются в рамках программы "Приоритет 2030", в которую университет вошел в числе 47 региональных вузов России. Подробнее о том, как приближают будущее в КНИТУ-КАИ, — в материале "Реального времени".
Что отправить в космос со спутником "КАИ-2"?
В 2023 году планируется запуск спутника формата CubeSat "КАИ-2". Университет готовит для него полезную нагрузку — оборудование, которое спутник выведет работать на орбите. В вузе был объявлен открытый конкурс по разработке миссии спутника — прием заявок первого этапа окончился 21 ноября, сейчас конкурсная комиссия выбирает, чье предложение оказалось самым полезным и интересным.
Предыдущий спутник — "КАИ-1" — стартовал с космодрома Байконур в рамках программы "Дежурный по планете". В подготовке его полезной нагрузки участвовали не только студенты и ученые университета, но и ученики инженерного лицея-интерната КНИТУ-КАИ. В составе полезной нагрузки "КАИ-1" отправились комплекс фото- и видеосъемки и измеритель температуры, изготовленный на основе волоконной брэгговской решетки (разработка кафедры радиофотоники и микроволновых технологий ИРЭФ-ЦТ). С помощью этого оборудования проводятся эксперименты по мониторингу метеорологической обстановки в атмосфере Земли и построению панорамных изображений космического пространства, а ученые из ИРЭФ-ЦТ проверяют, как в космосе работает волоконно-оптический измеритель температуры.
Артем Кузнецов, доцент кафедры радиофотоники и микроволновых технологий ИРЭФ-ЦТ, рассказал "Реальному времени", что среди заявленных тем для будущего спутника есть проекты, связанные с дистанционным зондированием атмосферы, интеллектуальными конструктивными элементами со встроенными датчиками, измеряющими механическую нагрузку.
Компьютерное зрение "раскусит" уставшего водителя
На кафедре систем информационной безопасности разрабатывают интеллектуальную систему оценки функционального состояния человека. Она должна будет определять, в каком состоянии находится испытуемый, по реакции его зрачка на свет. Пока ученые из КАИ изучили два состояния: уже написана диссертация по влиянию алкогольного опьянения на зрачковую реакцию, и вот теперь разрабатывается экспериментальное портативное устройство, определяющее степень утомления.
В устройство входит вспышка, подсветка, ИК-чувствительная видеокамера и собственное программное обеспечение, написанное учеными специально для этих целей. Профессор Алексей Катасёв рассказывает "Реальному времени":
— В 2018 году защищалась кандидатская диссертация на эту тему, мы начали развивать эту идею. С тех пор пытаемся с каждым годом совершенствовать нашу разработку, выходить на дополнительные исследования. Суть в том, что зрачковую реакцию нельзя подделать усилием воли человека. Она является отражением функциональных процессов, которые происходят в головном мозге. При яркой вспышке у нас зрачок сужается, а в темноте расширяется. Это мы и используем: генерируем кратковременный импульс в виде световой вспышки и фиксируем зрачковую реакцию. Она длится недолго — порядка 3—4 секунд. За это время камера фиксирует размеры зрачка. Используя средства компьютерного зрения и алгоритмы интеллектуального анализа данных, на основе динамики ее изменения мы делаем вывод о том, в каком состоянии находится человек в настоящий момент.
Как рассказывает ученый, сейчас устройство "учат" оценивать состояние усталости человека. В состоянии бодрости и усталости скорость реакции зрачка на свет изменяется — эту особенность исследователи и отслеживают с помощью средств компьютерного зрения.
Пока установка работает в экспериментальном режиме. Но впоследствии отработанную технологию можно будет применять, например, в системах предрейсового медицинского осмотра водителей. Пригодится подобная система и в процессе управления автомобилем, и при работе со сложным производством, где требуется анализировать уровень сконцентрированности человека.
— Нынешним летом мой ученик выиграл конкурс "Студенческий стартап" Фонда Содействия инноваций по этой теме — "Оценка состояния утомляемости водителей транспортных средств". При содействии фонда мы планируем через год выдать рабочий прототип устройства, чтобы можно было его уже тестировать, — обещает Алексей Катасёв.
Новый шаг к компьютеру будущего
Ученые из Казанского квантового цента КНИТУ-КАИ в 2022 году получили интересные результаты исследований, посвященных квантовой памяти. Сергей Моисеев, Константин Герасимов и Евгений Моисеев совместно с коллегами из технологической группы И.А. Родионова из МГТУ им. Н.Э. Баумана реализовали на чипе схему квантовой памяти для микроволновых фотонов. Идея эта была выдвинута и экспериментально продемонстрирована в КАИ в 2018 году для хранения классической информации при комнатной температуре и далее продолжала разрабатываться теоретически. Наконец, в этом году научные коллективы двух университетов успешно продемонстрировали такую квантовую память для микроволновых фотонов на чипе сверхпроводящих резонаторов.
Профессор Сергей Моисеев рассказывает, о чем идет речь:
— Квантовая память для микроволновых фотонов нужна для создания универсального компьютера на сверхпроводящих кубитах. Квантовый компьютер, используя законы квантовой механики, может (и уже это показано) работать много лучше существующих классических компьютеров, которые распространены по всему миру и уже есть у каждого цивилизованного человека. По сравнению с квантовым даже самый сильный современный компьютер будет выглядеть как обыкновенный калькулятор! От классического квантовый компьютер отличается очень сильно по используемым физическим законам функционирования, так что стоит к нему добавить лишь один квантовый бит информации — как мощность такого вычислителя возрастает вдвое! Соответственно, чем больше этих кубитов, тем лучше — его мощность будет экспоненциально расти.
Но обеспечить работу такого компьютера не так-то легко. В России пока смогли собрать квантовый компьютер, где только четыре кубита работают в нужном режиме. Одна из фундаментальных проблем такого компьютера — создание квантовой памяти, позволяющей сохранять квантовую информацию (кубиты) в таком компьютере. Эту задачу и пытаются решать ученые из КНИТУ-КАИ.
Квантовая память на чипе, созданная учеными из двух университетов, еще пока не совсем универсальна, но на ней уже смогли продемонстрировать ряд базовых параметров, которые получились на сегодняшний момент лучшими в мире! У нее слабые шумы, широкая рабочая полоса, самые малые потери квантовой информации, а значит, еще никто до наших ученых не сделал квантовую память такой же эффективности.
— Примечательно, что нам удалось довести наши теоретические разработки до лучших экспериментальных результатов, превзойдя существующие в мире подходы. Эта разработка открывает практический путь для создания квантовой памяти. Мы надеемся, что, используя квантовую память такого типа, можно будет создать универсальный квантовый компьютер, появление которого откроет новую эру в кибернетике. Трудно представить, что будет доступно человечеству после создания подобного компьютера. Появление такого компьютера не представляется возможным в самое ближайшее время, но все может измениться, и очень быстро: одно-два серьезных открытия — и может последовать решающий прогресс в этой области! — мечтает Сергей Андреевич.
Профессор делится с нами убежденностью: именно поэтому очень важно продолжать теоретические и экспериментальные разработки продемонстрированной квантовой памяти.
Самая надежная защита информации
Здесь же, в Казанском квантовом центре КНИТУ-КАИ, работают над квантовыми методами защиты информации. Профессор Моисеев напоминает:
— Ведь защита информации — фундаментально важная вещь в нашей цивилизации, не менее важная, чем компьютер. И квантовая механика вновь предлагает мощный метод такой защиты, которая будет практически абсолютной. Примечательно, что, в отличие от квантового компьютера, квантовые методы защиты информации в мире и в России уже достаточно развиты для практических приложений. В 2021 году создана и находится в тестовом режиме магистральная линия связи с квантовой защитой между Москвой и Петербургом. А ранее, в 2019 году, на оптических волоконных линиях "Ростелекома" и "Таттелекома" мы совместно с коллегами из университета ИТМО (Петербург) демонстрировали подобные квантовые коммуникации между Казанью и Апастово на рекордное расстояние 143 км.
В России запущена программа по развитию квантовых коммуникаций, этой работой руководит Департамент квантовых коммуникации РЖД — разрабатывается новая аппаратура, строятся квантовые линии и сети, на которых тестируются, функционируют и продолжают совершенствоваться системы квантовых коммуникаций.
В КНИТУ-КАИ тоже продолжаются эти исследования. Например, в Казанском квантовом центре разработали квантовый интерфейс, а молодые ученые — кандидат наук Евгений Моисеев и аспирант Константин Мельник — экспериментально продемонстрировали возможность передачи квантовой информации между разными системами квантового распределения ключа. Профессор Моисеев объясняет, в чем суть этого изобретения:
— Сейчас есть разные системы квантовых коммуникаций, каждая из них функционирует внутри своей сети, используя тот или иной один способ кодирования квантовой информации. Существует несколько хорошо работающих систем квантового распределения ключа с разными физическими способами кодирования квантовой информации— в России их три. И каждая работает только внутри своей сети. Было бы очень полезно все эти локальные сети объединить в одну общую квантовую сеть. Мы предложили и продемонстрировали такой интерфейс, который способен объединять две различные сети в одну. Считаем, что за этим подходом будущее в объединении многих локальных квантовых сетей в одну глобальную сеть.
Ученый рассказывает, что фактически сейчас повторяется история современного интернета, которая разворачивалась в девяностых, но для квантовых сетей. Мир уже вплотную подошел к понятию "квантовый интернет" — когда к обычному интернету параллельно добавляется еще и квантовая линия защиты информации. Эта сеть будет обеспечивать высочайшую степень защиты, используя законы квантовой физики.
Космические корабли поможет строить робот
Между тем кванты квантами, а реальным сектором кто-то тоже должен заниматься. Это направление тоже поддерживается программой "Приоритет 2030". Центр композитных технологий разработал роботизированный комплекс, который позволяет заметно упростить и удешевить технологию изготовления оснастки для деталей космических аппаратов. Ведущий научный сотрудник Центра композитных технологий КНИТУ-КАИ Леонид Шабалин рассказывает, какую проблему решают казанские ученые:
— Чтобы сделать какую-то сложную композитную конструкцию из углепластика (например, деталь космического корабля), нужно пройти множество сложных и дорогостоящих шагов. Главный из них — изготовить формообразующую оснастку (это аналог пресс-формы). Именно в нее потом выкладывают углеродные волокна, она придает будущему изделию геометрическую форму. Проблема в том, что для производства космических конструкций большая серийность не требуется. Это одно, максимум пять одинаковых изделий. Зато габариты у них большие, конфигурация сложная, и традиционные методы изготовления этой формообразующей оснастки очень затратные. Например, ее могут делать из металла. И каждый раз это практически штучная работа. Время обработки металла длительное, стоимость большая (космические конструкции ажурные, тонкие, сложной конфигурации, поэтому и отходов при изготовлении металлической оснастки много). Оснастка получается очень массивной.
В Центре композитных технологий эту проблему решают с помощью роботизированного комплекса 3D-печати. Робот-манипулятор печатает оснастку из термопластичного материала (он сильно отличается от тех, что используются в обычных 3D-принтерах). После того как оснастка будет использована для изготовления детали, ее можно будет разрушить, переработать и вторично использовать после переработки.
Таким образом решаются сразу несколько проблем: скорость, экономия материала (робот печатает только там, где нужно, ничего не приходится вырезать), а оснастку можно еще и переработать после использования. Технология выглядит очень перспективной, но пока она еще очень дорогая. Потому и использовать ее предлагают пока только для аэрокосмической отрасли.
— А если мы говорим про автопром, они говорят: "Класс, интересно! Но сколько бамперов можно сделать с ее помощью и сколько они будут стоить?" Пока еще стоить они будут очень дорого. Поэтому пока планируется, что наша технология будет применяться для изготовления больших сложных изделий штучного и мелкосерийного производства, а в будущем, когда она будет более доступна, ее можно будет масштабировать вообще на любые области машиностроения. А пока устройство функционирует в лаборатории и находится на отработке реальных изделий, — говорит Леонид Шабалин.
До конца года ученые обещают дополнить комплекс выкладочной головкой — и тогда на нем можно будет делать не только оснастки, но и выкладывать в них углеродный материал, получать конечные композитные детали.