Национальный центр физики и математики (НЦФМ) в Сарове готовится к запуску трёх уникальных научно-исследовательских комплексов класса «мегасайенс» после 2030 года. Эти установки нацелены на раскрытие глубоких тайн нуклонной материи, исследование явлений, таких как «кипячение» вакуума, и радикальное ускорение вычислительных процессов с использованием света. Их работа обещает совершить революционные прорывы как в фундаментальных научных знаниях, так и в решении широкого спектра прикладных задач, включая разработку новых энергетических источников и развитие искусственного интеллекта.
Задел для научно-технологического лидерства на десятилетия вперёд
Фундаментальные научные открытия играют ключевую роль в прогрессе человечества. Показательным примером служит расщепление атомного ядра в 1938 году, которое кардинально изменило мир, приведя к созданию ядерного оружия через семь лет и атомной энергетики через девять. Эти достижения формировали современность на протяжении последних 80 лет. Сейчас наступает новая эра, когда накопленные знания и потенциал должны стать основой для следующих масштабных прорывов.
Для реализации этих целей, по поручению президента РФ, в 2021 году вблизи Сарова (Нижегородская область) был учреждён Национальный центр физики и математики (НЦФМ). После 2030 года в центре планируется запустить три передовые установки класса «мегасайенс»: многофункциональный ускорительный комплекс с комптоновским источником излучения, экзаваттный лазер и фотонная вычислительная машина.
Термин «мегасайенс» в рамках национального проекта «Наука» относится к проектам, способным значительно превзойти существующие достижения, расширить границы фундаментальных знаний и создать новые перспективы для технологического развития. Ожидается, что три мегаустановки НЦФМ произведут революцию в понимании элементарной структуры материи (на уровне нуклонов и кварков), проложат путь к инновационным источникам энергии и станут основой для совершенно новых вычислительных технологий.
В настоящее время активно ведётся подготовка к запуску этих комплексов: разрабатываются и собираются ключевые узлы и компоненты, а также формируются программы будущих экспериментов. Реализация этих флагманских проектов, наряду с общей научной программой НЦФМ, является результатом скоординированных усилий Госкорпорации «Росатом», свыше 60 российских университетов и институтов РАН, Министерства науки и высшего образования РФ, МГУ им. М. В. Ломоносова, Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ, НИЦ «Курчатовский институт» и Объединённого института ядерных исследований.
Одним из ключевых результатов этих мегапроектов НЦФМ станет значительное развитие отечественной научно-исследовательской инфраструктуры и укрепление кадрового потенциала в наукоёмких и стратегически важных отраслях, в том числе в атомной промышленности. В конечном итоге, эта работа заложит основу для обеспечения научно-технологического лидерства России на десятилетия вперёд.
Разгадка тайн нуклонной материи
Среди мегапроектов НЦФМ выделяется многофункциональный ускорительный комплекс с источником комптоновского излучения (ИКИ). Основная цель его создания — кардинальное изменение существующих представлений о нуклонной и кварковой материи.
Академик Александр Сергеев, научный руководитель НЦФМ, подчеркнул уникальность ИКИ: «Возможности, которые ИКИ НЦФМ предоставит исследователям, беспрецедентны, поскольку в мире не существует аналогичных источников гамма-излучения. Мы сможем с недостижимой ранее точностью исследовать энергетическое и пространственное распределение нуклонов (протонов и нейтронов) внутри атомных ядер, причём установка позволит работать с широким спектром ядер».
Ускоритель будет функционировать на основе мощного узконаправленного источника квазимонохроматических гамма-квантов, генерируемых за счёт эффекта обратного комптоновского рассеяния фотонов на релятивистских электронах с энергией до 2 ГэВ.
Заместитель научного руководителя НЦФМ, главный учёный секретарь, академик РАН Дмитрий Бисикало, отметил: «Особая уникальность установки состоит в параметрах гамма-излучения: энергия гамма-квантов будет варьироваться в колоссальном диапазоне от 0,02 до 250 МэВ, а интенсивность пучка достигнет 10^11 фотонов в секунду при длительности импульса всего от 10 до 300 пикосекунд».
Многофункциональность комплекса позволит проводить обширный спектр исследований: от изучения фотоядерных реакций, физики изомеров и ядерной спектроскопии до высокоточного анализа гигантского и пигми-дипольного резонансов ядер.
Бисикало также добавил, что «электронные пучки с энергией до 2 ГэВ открывают новые возможности в адронной фотонике и ядерной физике высоких энергий, включая комптоновское рассеяние на нуклонах и ядерной материи, а также исследование мезонных степеней свободы в ней. Кроме того, эти пучки могут быть использованы для создания мощных ультракоротких импульсов гамма-излучения, необходимых для изучения быстропротекающих процессов и нелинейного комптоновского рассеяния».
Научные достижения ИКИ НЦФМ будут иметь огромное значение как для фундаментальной науки, так и для решения прикладных задач. В частности, монохроматическое гамма-излучение низких энергий (от 20 до 500 кэВ) найдёт применение в неразрушающем контроле, обеспечении безопасности, материаловедении, а также в биологии и медицине, предлагая новые диагностические и лечебные методики.
По словам Бисикало, «исследования с использованием гамма-излучения более высоких энергий (от 0,5 до 250 МэВ) откроют беспрецедентные возможности для изучения ядерной материи, включая задачи ядерно-оружейного комплекса, развития теории атомного ядра, создания новых источников энергии и методов утилизации ядерных отходов».
Разработка ИКИ НЦФМ также способствует совершенствованию экспериментальных методик, расширению научной инфраструктуры и развитию детекторных технологий.
Тайны «вскипевшего» вакуума: Что раскроет экзаваттный лазер
Второй мегапроект НЦФМ — Центр исследования экстремальных световых полей, известный как XCELS (eXawatt Center for Extreme Light Studies). Его ключевым элементом станет первый в мире лазер экзаваттной (10^18 Вт) мощности, что на три порядка превышает мощность самых сильных существующих ныне петаваттных (10^15 Вт) установок. Создание такого лазера является беспрецедентным достижением.
Дмитрий Бисикало уточнил: «Основу проекта составляет уникальный 12-канальный источник света, использующий оптическое параметрическое усиление чирпированных лазерных импульсов в кристалле DKDP (дигидроортофосфат калия)».
Эта беспрецедентная мощность лазера необходима, в частности, для реализации эффекта «кипячения» вакуума. Этот процесс заключается в рождении электрон-позитронных пар непосредственно из вакуума под действием сверхмощного электромагнитного поля, создаваемого при пространственной фокусировке лазерного излучения.
Известно, что физический вакуум не является абсолютно пустым: в нём постоянно возникают, существуют крайне короткое время и затем аннигилируют виртуальные пары частица-античастица. Их короткое время жизни обусловлено принципом неопределённости Гейзенберга, что позволяет им не нарушать закон сохранения энергии. Однако, если виртуальные частицы в течение своего существования успевают быть ускорены достаточно сильным электрическим полем до энергий, достаточных для преодоления их взаимодействия, они переходят в реальное состояние. В результате вакуум «вскипает» реальными электронами и позитронами, которые появляются буквально из ничего.
Бисикало утверждает: «Предполагаемая интенсивность электромагнитного поля, достигаемая в проекте XCELS, будет достаточной для наблюдения этого феноменального явления и изучения пространственно-временной структуры вакуума».
Помимо этого, рекордная мощность лазера открывает новые горизонты для экспериментов по ускорению заряженных частиц и генерации электромагнитного излучения в ранее недоступных диапазонах спектра. Она также способствует развитию физики процессов с экстремально высокой плотностью электромагнитной энергии и глубокому изучению квантовых электродинамических явлений.
Экзаваттный лазер позволит исследовать генерацию мощных квазистатических полей, включая эффекты пересоединения магнитных силовых линий, что имеет большое значение для лабораторной астрофизики. Комплекс также обеспечит создание сверхплотной ультрарелятивистской электрон-позитронной плазмы в макроскопических объёмах, где существенны как классические, так и квантовые электродинамические процессы. Подобные состояния до сих пор не были изучены в лабораторных условиях.
Бисикало подводит итог: «В целом, проект XCELS даст человечеству возможность выйти за рамки текущих представлений о физическом мире и проверить истинность или ложность множества существующих гипотез и теорий».
Обучение ИИ с помощью фотонов: Фотонная вычислительная машина
Третья мегаустановка НЦФМ — фотонная вычислительная машина, способная достигать производительности до 10^22 операций в секунду. Это в тысячи раз превосходит возможности самого мощного современного суперкомпьютера, такого как экзафлопсный El Capitan (Ливерморская национальная лаборатория, США), который выполняет до 2,79*10^18 операций в секунду. Однако главное значение этой машины состоит в том, что она является пионером нового класса вычислительных устройств.
Дмитрий Бисикало пояснил: «Ключевое отличие фотонного компьютера от традиционных заключается в применении фотонов вместо электронов для записи, передачи и обработки данных. Создание такого устройства обусловлено поиском новых физических принципов вычислений, поскольку технологический предел производительности классических электронных микрочипов уже практически достигнут, и закон Мура о регулярном удвоении мощности ЭВМ перестал действовать».
Фотонные вычислители свободны от некоторых недостатков электронных систем, таких как высокое энергопотребление, и обеспечивают значительное преимущество в производительности для задач, связанных с анализом и обработкой больших массивов информации. Это особенно актуально для распознавания образов в видеопотоках реального времени (в системах безопасности, экологическом мониторинге, оборонных приложениях) и при обработке данных дистанционного зондирования Земли со спутников.
Более того, фотонные компьютеры станут незаменимым и перспективным инструментом в условиях стремительного развития искусственного интеллекта. Они демонстрируют многократное превосходство над обычными ЭВМ в операциях матричного умножения — ключевом процессе для обучения нейронных сетей. При этом энергопотребление оптических вычислителей для этих задач значительно ниже.
Ожидается, что оптические вычислители будут не замещать, а дополнять традиционные ЭВМ, поскольку для многих задач последние остаются более эффективными. Кроме того, для создания полноценного универсального фотонного компьютера пока отсутствует необходимая компонентная база, в частности, долговременная память.
