Национальный центр физики и математики (НЦФМ)

Национальный центр физики и математики создается по поручению Президента Российской Федерации (поручения от 28.11.2020 № Пр-1992, № Пр-1993, № Пр-1994, № Пр-1995, № Пр-1996, а также от 05.06.2021 № Пр-987) в городе Саров Нижегородской области. Проект «Создание Национального центра физики и математики» сформирован как федеральный проект и включен отдельным структурным элементом в части создания имущественного комплекса в государственную программу «Развитие атомного энергопромышленного комплекса», в части реализации научной программы — в государственную программу «Научно-технологическое развитие».

Он также является ​флагманским проектом создания в России новой научно-исследовательской инфраструктуры, одной из ключевых инициатив Десятилетия науки и технологий в России (2022–2031, стартовавшего по Указу Президента). В связи с этим территория размещения НЦФМ определена вблизи сильных научных центров: Российского федерального ядерного центра «ВНИИЭФ», Объединённого института ядерных исследований и других научно-исследовательских организаций с известными научными школами в области физики и математики.

• Укрепление технологического суверенитета и обороноспособности страны;

  
  
• Генерация принципиально новых знаний, развитие уникальных экспериментов для проверки теоретических концепций современной науки;

• Воспитание новых научно-технологических лидеров;

  
  

• Укрепление научного потенциала страны.

Ключевыми участниками реализации задач проекта выступают Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, госкорпорация «Росатом», Российская академия наук, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт «Курчатовский институт», Объединённый институт ядерных исследований, Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики.

Координацию деятельности НЦФМ по развитию фундаментальных и прикладных исследований в области математики, физики и вычислительных технологий, а также взаимодействие с федеральными и региональными органами исполнительной власти осуществляет Совет по развитию Национального центра физики и математики. В состав Совета по развитию НЦФМ входят первый заместитель Председателя Правительства РФ Денис Мантуров, заместитель Председателя Правительства РФ Дмитрий Чернышенко, президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук, генеральный директор Госкорпорации «Росатом» Алексей Лихачёв, ректор МГУ им. М.В. Ломоносова академик РАН Виктор Садовничий, вице-президент Российской академии наук академик РАН Степан Калмыков, научный руководитель НЦФМ академик РАН Александр Сергеев и другие представители государственной власти и научно-образовательного сектора страны.

Образовательным ядром НЦФМ стал созданный в 2021 году в рамках «быстрого старта» НЦФМ филиал МГУ им. М. В. Ломоносова в Сарове (МГУ Саров). На основе лучших мировых практик преподаватели МГУ им. М.В. Ломоносова и специалисты Госкорпорации «Росатом» разработали уникальные образовательные программы магистратуры и аспирантуры для подготовки высокопрофессиональных специалистов в перспективных областях физики, математики, информатики и суперкомпьютерных технологий. Студенты и молодые исследователи приезжают в МГУ Саров со всей страны: от Санкт-Петербурга до Владивостока. Стипендия магистрантов — ​55 тыс. рублей, аспирантов — ​75 тыс. C 2024 года впервые открыта спецгруппа «Физика частиц и экстремальных состояний материи» на физическом факультете МГУ (г. Москва) с ежегодным набором – 24 человека, и завершением освоения образовательной программы на 5 и 6 курсах на площадке МГУ Саров.

На конец 2025 года МГУ Саров выпустил три потока магистрантов — это 140 высококлассных специалистов — физиков и математиков, основная часть которых уже работает на стратегических предприятиях и в научных организациях страны.

Преподаватели МГУ Саров — академики, профессора РАН (4 академика, 8 член-корреспондентов, 6 профессоров РАН, 42 доктора и 68 кандидатов наук – цифры даём графикой) и ведущие учёные страны. Под их руководством студенты выполняют практические работы, участвуют в реальных научных проектах, исследованиях и экспериментах, внося свой ценный вклад в развитие страны и глобальную науку.

Создание инфраструктуры НЦФМ ведется с учетом мировых научных тенденций, адаптированных к российской действительности. На территории МГУ Саров создана комфортная среда для жизни, обучения и старта серьезной исследовательской работы. Студенты и аспиранты МГУ Саров живут в таунхаусах и апарт-комплексах рядом с хвойным лесом и озером.

НЦФМ стал ведущей площадкой страны для развития талантливой молодежи в науке. Мероприятия центра, такие как научные школы и семинары, яркий научно-просветительский проект «Время науки», Всероссийская Конкурс-школа имени Игоря Тамма — вдохновляют студентов и молодых исследователей на генерацию новых научных идей, проведение дерзких экспериментов и разработку инновационных решений.

Научная программа НЦФМ (стартовала в 2021 г.) сформирована Советом по развитию НЦФМ и включает решение приоритетных задач фундаментальной и прикладной науки по 11 перспективным направлениям:

1.     Национальный центр исследования архитектур суперкомпьютеров.

2.     Математическое моделирование на супер-ЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности.

3.     Газодинамика и физика взрыва.

4.     Физика высоких плотностей энергии.

5.     Физика частиц и космология.

6.     Ядерная и радиационная физика.

7.     Исследования в сильных и сверхсильных магнитных полях.

8.     Физика изотопов водорода.

9.     Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах.

10.  Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика.

11.  Цифровое материаловедение.

За пять лет работы НЦФМ стал центром притяжения для ученых и исследователей со всей страны. Научная кооперация включает более 70 академических и вузовских партнёров, объединяющих более 2000 ученых и исследователей.

Избранные результаты научной программы НЦФМ по результатам первого пятилетия:

• Образец аналогового фотонного вычислительного устройства с рекордной производительностью. Экспериментальный образец, работающий в комплексе с двухдиапазонным гиперспектрометром, создали в рамках научной кооперации НЦФМ ученые Самарского университета. Устройство состоит из коммерчески доступных пространственных модуляторов света, камер и оптико­-механических компонентов и обрабатывает 2,2·10¹⁶ бит входящего видеопотока в секунду.
• Не имеющая аналогов адаптивная оптическая система. К 2030 году в НЦФМ планируют построить лазерную установку класса «мегасайенс». Для нее сделана оптика, которая компенсирует влияние атмосферных искажений и позволяет эффективно фокусировать луч, чтобы достичь экзаваттной мощности. Учёные задают волновые фронты всех 12 каналов лазерного излучения так, чтобы они, сойдясь в одной точке, дали максимум интенсивности. В оптической системе применены программируемые логические интегральные схемы, что позволяет достичь ее рекордного быстродействия — ​свыше 2 кГц.
• Учёные кооперации НЦФМ вплотную подошли к созданию суперточных ядерных часов. Предельная точность атомных часов, которые применяют в спутниковых системах навигации, связи и телевидения, в синхронизации информационных сетей, — ​10^–18. Но для квантовых систем этого мало. Разработка позволит повысить точность измерения времени на два порядка. Атомные часы фиксируют переход электронов между уровнями в атоме, ядерные — ​частиц в ядре. В кубик объемом 1 мм³ учёным удалось поместить 10¹⁵ атомов тория и создать часы с неточностью всего 10 мс за время существования Вселенной.
• Создана и испытана революционная отечественная технология метеоустойчивой лазерной связи в среднем ИК-диапазоне, не имеющая аналогов в России. На основе отечественных квантово-каскадных лазеров (ККЛ) и детекторов (ККД) разработана и продемонстрирована работа беспроводного канала связи. Достигнута одно-модовая средняя мощность излучения 200 мВт на длине волны 8 мкм и продемонстрирована передача данных со скоростью ~0.1 Гбит/с по открытой атмосферной трассе. Это значительный шаг к достижению технологического суверенитета России в области перспективных систем связи и сенсорики. Разработка позволяет сохранить и расширить мировое лидерство страны в лазерных технологиях, перенеся его из телекоммуникационного диапазона (1.55 мкм) в более перспективные для практики атмосферные «окна прозрачности».
• Создана уникальная установка для исследований в сверхсильных магнитных полях мирового уровня, обеспечивающая России доступ к новому классу физических экспериментов. Установка с неразрушаемым соленоидом генерирует пиковую индукцию магнитного поля 60 Тл с длительностью импульса 10 мс. Устройство оснащено двумя исследовательскими криостатами (азотным и гелиевым) для проведения комплекса измерений в широком спектральном диапазоне. Установка открывает новые возможности в изучение квантовых свойств материалов, магнетизма, сверхпроводимости и поведения вещества в экстремальных условиях. Достижение значимо для разработки новых материалов с заданными свойствами для электроники, энергетики и других высокотехнологичных отраслей.
• Стохастическая модель мемристора для нейроморфного компьютера. На биологоподобных математических моделях основываются перспективные технологии искусственного интеллекта. Нейроморфные устройства обрабатывают больше информации, тратя меньше энергии. Пример такого устройства — ​мемристор (резистор с памятью). Это искусственный аналог синапса, который в мозге передает сигнал от нейрона к нейрону или эффекторной клетке. Руководитель проекта, профессор Университета Лобачевского Сусанна Гордлеева, удостоена за эту работу премии Президента РФ.
• Кубсат «Лобачевский» успешно выведен на околоземную орбиту. В составе спутника в космос запущен программно-аппаратный комплекс для испытаний мемристивных устройств, обеспечивающий запись, считывание информации в ячейках памяти дистанционно с Земли. Кубсат «Лобачевский», созданный в рамках научной программы НЦФМ, оснащён двумя спектральными камерами, которые будут собирать данные о состоянии растительности на Земле. Это позволит оценивать состояние растительности в лесных и сельскохозяйственных массивах России.

За три года (старт в 2022 г.) в НЦФМ создано 18 молодежных лабораторий, включая: 

• Лабораторию моделирования плазменных геофизических и астрофизических явлений.
• Лабораторию газодинамики и физики взрыва.
• Лабораторию математического моделирования в индустриальных и фундаментальных исследованиях.
• Лабораторию искусственного интеллекта и обработки больших массивов данных.
• Лабораторию перспективных лазерных систем среднего и дальнего инфракрасного диапазона.
• Tera Light (Лаборатория нелинейной терагерцовой фотоники).

Создаются семь лабораторий «миди-сайенс» для решения конкретных научно-прикладных задач:  

1.     Лаборатория фотонных вычислительных устройств.

2.     Лаборатория суперкомпьютерных двойников индустриальных объектов.

3.     Лаборатория сверхсильных оптических полей.

4.     Лаборатория ядерной фотоники.

5.     Лаборатория сильных и сверхсильных магнитных полей.

6.     Лаборатория нейроморфного искусственного интеллекта.

7.    Лаборатория моделирования астрофизических и геофизических явлений.

• ввод в строй первой очереди источника квазимонохроматичного гамма-излучения на основе обратного комптоновского эффекта и начало экспериментальных исследований по проблемам ядерной фотоники;
• достижение производительности гибридной оптоэлектронной вычислительной системы на базе оптических сопроцессоров не менее 10^21-22 опс;
• подтверждение реализуемости основных научно-технических решений в обеспечение создания центра исследований экстремальных световых полей (XCELS).

В целях привлечения молодых ученых к реализации научной программы НЦФМ, включая проекты класса «мегасайенс», с 2022 года проведено более 30 международных и всероссийских научных школ по направлениям научной программы НЦФМ, которые завоевали высокий авторитет в научном сообществе. Общее число участников школ – более 3 тыс. человек.

Национальный центр физики и математики только начал работу, но уже демонстрирует выдающиеся результаты. При поддержке руководства страны, российского научного сообщества и ключевых высокотехнологичных компаний, шаг за шагом НЦФМ становится президентской кузницей научной элиты, способной двигать научный прогресс вперед. Плодотворное сотрудничество учёных в рамках научной кооперации НЦФМ позволяет достигать научных результатов мирового уровня, которые успешно внедряются в реальный сектор экономики России.