В Тихоокеанском государственном университете (ТОГУ) создана научно-исследовательская лаборатория моделирования квантовых процессов.
Доценты ТОГУ Александр (справа) и Игорь (слева) Мазуры обсуждают с коллегами перспективы лаборатории. Фото: Пресс-служба ТОГУ
Проект, успешно прошедший экспертизу министерства науки и высшего образования РФ, реализуется на федеральный грант в 38 миллионов рублей. Хабаровские физики-ядерщики получат в свое распоряжение современные вычислительные серверы, которые позволят на месте вести сложные расчеты и обрабатывать большие массивы данных. До сих пор ученым приходилось использовать суперкомпьютеры МГУ имени Ломоносова и зарубежных научных центров.
"Создание лаборатории моделирования квантовых процессов - это, по сути, начало нового этапа многолетней научно-исследовательской работы хабаровских физиков-теоретиков, коллектив которых начал формироваться в вузе еще в 1980-х, - говорит 32-летний руководитель лаборатории, кандидат физико-математических наук, доцент ТОГУ Игорь Мазур. - Мы займемся моделированием различных квантовых систем - от атомных ядер до наночастиц с уникальными свойствами. Для этого нужны вычислительные мощности".
Кто-то, наверное, удивится, но на Дальнем Востоке, в Хабаровске есть физики-ядерщики, результаты деятельности которых известны и признаны в научном мире. Этому немало поспособствовала коллаборация ученых из трех вузов - хабаровского ТОГУ, НИИ ядерной физики (НИИЯФ) имени Скобельцына Московского госуниверситета и университета штата Айова (США). Плодотворное международное сотрудничество развивается в течение последних 20 лет.
Так, в 2009 году хабаровские ученые совместно с коллегами из НИИЯФ построили новую модель взаимодействия между нуклонами в атомном ядре, получившую название JISP16. Новым подходом к изучению нуклон-нуклонного взаимодействия теперь пользуются многие теоретики и экспериментаторы в мире.
"Наше открытие легло в основу 400 исследований, - рассказывает Игорь Мазур. - JISP16 хорошо описывает свойства некоторых легких ядер, в том числе абсолютно неизвестных. Практически все процессы, которые мы изучаем, важны для астрофизики, например, поскольку описывают процессы внутри звезд".
Лаборатория позволила открыть совершенно новые направления для хабаровских ученых - проектирование квантового компьютера
Одним из ярких результатов научной работы хабаровских физиков стало исследование экзотической ядерной системы тетранейтрон, свойства которой Игорь Мазур изучает вместе с отцом - доцентом ТОГУ Александром Мазуром.
Плодотворное сотрудничество с НИИЯФ МГУ и с коллегами из-за рубежа идет и в области атомной физики. Так, например, в 2018 году журнал Nature Physics опубликовал статью, соавтором которой является профессор ТОГУ, доктор технических наук Сергей Бурков.
Сегодня в лаборатории моделирования квантовых процессов ТОГУ работают 14 научных сотрудников и студенты-бакалавры. "Ведутся фундаментальные исследования нерелятивистских квантовых систем - изучается физика атомного ядра, а также взаимодействие атомов с электронами и внешним электромагнитным излучением, созданным мощным лазером. Это направление работы ведущего научного сотрудника лаборатории, профессора ТОГУ Сергея Зайцева и его коллег, - рассказывает Игорь Мазур. - Занимаемся мы и прикладными исследованиями для внедрения прорывных технологий на основе квантовых вычислений, моделирования материалов с заданными свойствами".
Лаборатория позволила открыть совершенно новые направления для хабаровских ученых - проектирование квантового компьютера. Этим занимается группа ведущего научного сотрудника, кандидата физико-математических наук Андрея Чибисова.
А еще в лаборатории ТОГУ учат компьютер... предсказывать. Используя машинное обучение, можно настроить искусственный интеллект на выдачу прогнозов в таких больших расчетах, которые крайне сложно получить на современных суперкомпьютерах.
"Мы используем методы машинного обучения для моделирования различных квантовых процессов, разрабатываем альтернативный способ экстраполяции на основе использования нейронных сетей и пытаемся применять его к анализу многочастичных ядерных систем", - объясняет Игорь Мазур.
Создание в ТОГУ научной школы по теоретической физике и моделированию квантовых систем - важное направление деятельности лаборатории. Готовится открытие магистратуры по квантовой физике, которая, возможно, появится в следующем учебном году. Бакалавров-физиков активно привлекают к научной деятельности. Пятеро студентов уже стали сотрудниками лаборатории.
Одна из задач лаборатории - развитие сотрудничества с российскими и зарубежными научными центрами, организация крупных мероприятий. С 2012 ТОГУ проводит конференцию "Теория атомного ядра в эпоху суперкомпьютеров". Трижды представительный форум, собирающий физиков-ядерщиков со всего мира, проходил в Хабаровске, и два раза за рубежом - в Южной Корее и США. В 2020 году его должна была принять Индия, но из-за пандемии пришлось все отложить. Общение ученых сегодня идет в онлайновом режиме.
"В прошлом году Объединенный институт ядерных исследований в Дубне - один из самых мощных исследовательских центров по ядерной физике - предложил нам провести научную конференцию в Хабаровске. Мы с радостью согласились, но по известным причинам пока это невозможно. Планы остаются. Лаборатория нам поможет, поскольку на подобные цели финансирование предусмотрено - мы можем приглашать коллег в Хабаровск и ездить на научные форумы в другие города", - подчеркнул Игорь Мазур.
Сердце лаборатории моделирования квантовых процессов - новейшие компьютерные серверы. Оборудование дорогостоящее. Поэтому вычислительные возможности будут наращиваться постепенно.
Когда два первых сервера запустили в эксплуатацию, ученые из Вычислительного центра Дальневосточного отделения РАН, с которыми тесно сотрудничают физики ТОГУ, были поражены скоростью операций. То, что раньше занимало неделю, новые машины обрабатывали за несколько часов.
"С появлением лаборатории исполнилась моя личная мечта, - признается Игорь Мазур. - Во время учебы в МГУ имени Ломоносова я знал, что непременно вернусь в Хабаровск. Я очень хочу, чтобы в нашем городе наука развивалась, чтобы появлялись хорошие возможности и условия для научных исследований. Нам этого удалось добиться достаточно быстро благодаря гранту".