Наука с приставкой «мега-»

Раскрытие тайн нуклонной материи, «кипячение» вакуума и ускорение вычислений с помощью света — для этого предназначены три научно-исследовательские установки класса «мегасайенс», которые запустят после 2030 года в Национальном центре физики и математики (НЦФМ). Ожидается, что их работа приведет к прорывам как в фундаментальной науке, так и в решении множества прикладных проблем: от поиска новых источников энергии до обучения искусственного интеллекта.

Научно-технологический задел на следующие 80 лет

Роль революционных фундаментальных исследований в развитии человечества переоценить невозможно. Пример — искусственное расщепление атомного ядра, впервые осуществленное в 1938 году. После этого мир изменился и уже никогда не будет прежним: спустя каких-то семь лет человечество обзавелось ядерным оружием, а еще через девять — атомной энергетикой. И то и другое определяло облик современности последние 80 лет. Теперь же наступает время для следующих шагов: накопленного за эти десятилетия научного потенциала должно хватить для новых прорывов.

Чтобы их совершить, в 2021 году близ закрытого города Сарова (Нижегородская область), согласно поручению президента РФ, был создан Национальный центр физики и математики (НЦФМ). После 2030-го здесь заработают три научно-исследовательские установки класса «мегасайенс»: многофункциональный ускоритель частиц с источником комптоновского излучения, лазер экзаваттной мощности и фотонная вычислительная машина.

В нацпроекте «Наука» термином «мегасайенс» обозначают проекты, которые превзойдут что-либо уже созданное и таким образом выведут за рамки существующих фундаментальных знаний, откроют новые возможности в технологическом развитии. Ожидается, что запуск трех мегаустановок НЦФМ революционизирует представления об устройстве материи на ее самом базовом уровне (уровне нуклонов и кварков), откроет путь к созданию новых источников энергии и позволит освоить принципиально новую вычислительную технологию.

Сейчас для установок готовится база: разрабатываются и собираются отдельные узлы и компоненты, прорабатываются программы экспериментов. Работа над этими флагманами вместе с остальной научной программой НЦФМ объединяет усилия госкорпорации «Росатом», более 60 вузов и институтов Российской академии наук, Минобрнауки России, МГУ им. М. В. Ломоносова, Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ, НИЦ «Курчатовский институт» и Объединенного института ядерных исследований.

Важнейшая добавленная стоимость от реализации мегапроектов в НЦФМ — развитие отечественной научно-исследовательской инфраструктуры и укрепление кадрового потенциала наукоемких, критически важных для страны отраслей, включая атомную индустрию. Ну а в целом результатом этой работы станет задел для научно-технологического лидерства России на очередные 80 (а может, и больше) лет вперед.

Ключ к тайнам нуклонной материи

Один из мегапроектов, строящихся в НЦФМ,— многофункциональный ускорительный комплекс с источником комптоновского излучения (ИКИ). Его создатели ставят перед собой задачу революционизировать представления о нуклонной и кварковой материи.

«Возможности, которые предоставит исследователям ИКИ НЦФМ, не может обеспечить ни одна научная установка в мире: таких источников гамма-излучения в мире 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. Важно, что установка позволит работать с самыми различными ядрами в очень широком диапазоне»,— сообщил «Ъ-Науке» научный руководитель НЦФМ академик Александр Сергеев.

Основой ускорителя станет яркий узконаправленный источник квазимонохроматических гамма-квантов, работающий на эффекте обратного комптоновского рассеяния фотонов на релятивистских электронах с энергией до 2 ГэВ.

«Уникальность установки заключается прежде всего в параметрах пучка гамма-излучения: энергия гамма-квантов будет меняться в чрезвычайно широком диапазоне от 0,02 до 250 МэВ, а интенсивность пучка достигнет 10^11 фотонов в секунду при длительности импульса от 10 до 300 пикосекунд»,— отмечает заместитель научного руководителя НЦФМ — главный ученый секретарь, академик РАН Дмитрий Бисикало.

Это делает комплекс многофункциональным, на нем будет проводиться большое количество самых разных исследований: от фотоядерных реакций, физики изомеров и ядерной спектроскопии до высокоточного изучения гигантского дипольного резонанса и пигми-дипольного резонанса ядер.

«При энергии электронов до 2 ГэВ возникают дополнительные научные возможности в области адронной фотоники и ядерной физики высоких энергий — например, комптоновское рассеяние на нуклонах и ядерной материи, мезонные степени свободы в ядерной материи. Электронные пучки с предельной энергией 2 ГэВ могут также использоваться для генерации интенсивных ультракоротких импульсов гамма-излучения для задач исследования быстропротекающих процессов и физики нелинейного комптоновского рассеяния»,— перечисляет Бисикало.

Научные результаты, которые обеспечит ИКИ НЦФМ, чрезвычайно важны не только для фундаментальной науки, но и для решения прикладных задач. Так, использование монохроматического гамма-излучения сравнительно низких энергий, от 20 до 500 кэВ, позволит решить целый ряд проблем в области неразрушающего контроля и безопасности, материаловедения, а также биологии и медицины, включая новые методы диагностики и лечения заболеваний.

«Исследования с таким же излучением более высоких энергий, в диапазоне от 0,5 до 250 МэВ, откроет новые, ранее недостижимые перспективы в изучении свойств ядерной материи, в том числе в интересах ядерно-оружейного комплекса, позволит продвинуться в развитии теории атомного ядра, создать новые источники энергии и методы переработки ядерных отходов»,— говорит Бисикало.

Наконец, само по себе развитие ИКИ НЦФМ позволит отработать новые экспериментальные методики, развить научную инфраструктуру и детекторную базу.

О чем расскажет «вскипяченный» вакуум

Второй мегапроект НЦФМ — Центр исследования экстремальных световых полей, или XCELS (eXawatt Center for Extreme Light Studies), который будет оснащен первым в мире лазером экзаваттной (10^18 Вт) мощности. Таких лазеров еще никому создать не удавалось, он будет на три порядка мощнее любой существующей сегодня установки: мощнейшие из ныне действующих — петаваттные (10^15 Вт).

«В основе проекта — уникальный 12-канальный источник света на основе оптического параметрического усиления чирпированных импульсов лазерного излучения в кристалле DKDP (дигидроортофосфат калия)»,— отмечает Дмитрий Бисикало.

Рекордная мощность необходима, в том числе чтобы осуществить «кипячение» вакуума. Так называется процесс рождения электрон-позитронных пар в вакууме под воздействием сверхмощного (сверхинтенсивного) электромагнитного поля, возникающего при пространственной фокусировке лазерного излучения.

Как известно, физический вакуум пуст только в среднем — в пространстве беспрерывно рождаются, существуют в течение короткого времени и затем аннигилируют виртуальные пары «частица—античастица». Время жизни таких пар ограничено неопределенностью Гейзенберга, поэтому их существование не нарушает закон сохранения энергии. Однако если за время жизни виртуальных частиц они успеют ускориться в интенсивном электрическом поле до энергий, достаточных для разрыва их взаимодействия, виртуальные частицы превращаются в реальные — вакуум «вскипает» реальными частицами (электронами и позитронами), которые появляются как будто из ниоткуда.

«Согласно оценкам, интенсивность электромагнитного поля, которую планируется достичь при реализации проекта XCELS, будет достаточна, чтобы наблюдать это удивительное явление и исследовать пространственно-временную структуру вакуума»,— говорит Бисикало.

Помимо этого рекордный уровень мощности открывает новые возможности в экспериментах по ускорению заряженных частиц и генерации электромагнитного излучения в малоосвоенных частях спектра, в развитии физики процессов с высокой плотностью электромагнитной энергии, в исследовании квантовых электродинамических процессов.

Мегалазер позволит исследовать вопросы генерации сильных квазистатических полей, включая эффекты пересоединения магнитных силовых линий, что представляет большой интерес для лабораторной астрофизики. Установка обеспечит возможность создания в макроскопических масштабах сверхплотной ультрарелятивистской электрон-позитронной плазмы, где ключевую роль играют как классические эффекты, так и квантовые электродинамические процессы. До настоящего времени такие состояния еще не исследовались в лабораторных условиях.

«В целом создание XCELS позволит человечеству заглянуть за пределы нынешних представлений о физическом мире и убедиться в правильности или ошибочности многочисленных идей и теорий»,— заключает Бисикало.

ИИ будут учить фотоны

Третья строящаяся в НЦФМ установка класса «мегасайенс» — фотонная вычислительная машина производительностью до 10^22 операций в секунду. Это на четыре порядка быстрее, чем у мощнейшего современного суперкомпьютера: экзафлопсный El Capitan от Ливерморской национальной лаборатории (штат Калифорния, США) выполняет не более 2,79*10^18 операций в секунду. Впрочем, важнее другое — эта мегаустановка станет первым представителем принципиально нового класса компьютеров.

«Основное отличие фотонного вычислителя от классического — использование фотонов вместо электронов для записи, передачи и обработки информации. Разработка такого устройства стала результатом поиска новых физических принципов организации вычислений. Дело в том, что к настоящему моменту технологический предел производительности традиционных электронных микрочипов практически достигнут, и знаменитый закон Мура об удвоении производительности ЭВМ каждые 18 месяцев уже не работает»,— говорит Дмитрий Бисикало.

Фотонные компьютеры лишены ряда недостатков электронных машин (один из них — огромное энергопотребление) и при этом дают огромное преимущество в производительности при решении широкого класса задач, связанных с анализом и обработкой больших объемов информации. Такие задачи возникают прежде всего при необходимости распознавания образов в видеопотоке в реальном времени (например, в системах безопасности, при экологическом мониторинге, решении оборонных задач) и при обработке спутниковых данных дистанционного зондирования земли.

Наконец, фотонные компьютеры послужат чрезвычайно востребованным и перспективным инструментом в эпоху бурного развития искусственного интеллекта. Дело в том, что отдельный класс задач, в которых такие вычислители на порядки превосходят традиционные ЭВМ,— это операция перемножения матриц, которая лежит в основе процедуры обучения нейронных сетей. Вдобавок энергопотребление при проведении таких операций у световой вычислительной техники на порядок ниже, чем у традиционных ЭВМ.

Предполагается, что световой вычислитель не заменит, а дополнит классические ЭВМ: для многих задач те все же эффективнее. Кроме того, для создания целиком фотонного универсального компьютера пока недостает компонентной базы, например долговременной памяти.

«Сам по себе фотонный процессор не универсален. Перспективным представляется создание гибридных вычислительных машин, в которых традиционные электронные системы ввода-вывода и хранения информации объединены с фотонными сопроцессорами. Так мы получим огромное преимущество в производительности при решении некоторых задач, которые сегодня одни из самых востребованных. Например, перемножение матриц для обучения нейросетей»,— отмечает академик Александр Сергеев.

На этом пути в рамках реализации научной программы НЦФМ уже получены результаты мирового уровня. В частности, создан прототип компактного аналогового фотонного вычислительного устройства, обрабатывающего потоковую видеоинформацию в реальном времени с рекордной производительностью до 10^16 операций в секунду, что соответствует лучшим мировым образцам ЭВМ.

Илья Арзуманов