ИСТИНА

Развитие современных информационных технологий связано с обработкой, анализом и передачей постоянно растущих объемов данных. В комплексе мероприятий, нацеленных на решение данной задачи, важное место занимает поиск физических основ для технических решений, связанных с разработкой элементной базы для таких систем приема, обработки, хранения и защиты информации. Это и определяет высокую актуальность данной работы, нацеленной на создание программных комплексов для проектирования систем приема/передачи информации, совмещенных с компактными, быстрыми и энергоэффективными комплексами обработки данных. Разработка физических принципов совмещения в такой системе достижений интегральной фотоники в виде оптической нейронной сети со сверхпроводящим комплексом обработки данных будет являться основной целью данной работы. Новизна проекта состоит в разработке методов проектирования схем на базе наноразмерных джозефсоновских контактов и минимизации размеров активных компонент логических устройств при использовании «фотонных» подходов к передаче данных на чипе и между чипами. Кроме того, полученные в рамках работы результаты, дадут возможность использования найденных решений для создания гибридных квантово-классических процессоров класса NISQ (noisy intermediate scale quantum computer – зашумленный квантовый компьютер среднего масштаба). Данная работа подразумевает также теоретическое и численное моделирование квантовых оптических волноводов с управлением когерентными и сжатыми состояниями в таких структурах, что в перспективе позволит управлять сигналами в опто-электронных чипах. Оптимизация двух систем (квантово-оптической и сверхпроводниковой) для работы в адиабатическом режиме ляжет в основу проектирования прототипов логических устройств в системах нейроморфной обработки информации.

The development of information technologies is associated with the processing, analysis and transmission of a constantly increasing amount of data, arrays of continuously incoming information. In global researchers aimed at solving this problem, an important place is occupied by the search for both physical and technical solutions related to the development of the element base for the systems for receiving, processing, storing and protecting information. It determines the high relevance of this work, aimed at creating software to design system for receiving/transmitting information combined with compact, fast and energy-efficient data processing complexes are so important. The main task of this research will be the combination of achievements of integrated photonics in the form of an optical neural network with a superconducting data processing system in such a system. The novelty of the project consists in designing circuits based on nanoscale Josephson contacts and minimizing the size of the active components of logic devices with the possibility of using "photonic" approaches to transmitting data on the chip and between chips. In addition, the results obtained in the framework of this research will make it possible to use the reached solutions for creating hybrid quantum-classical processors of the NISQ class (noisy intermediate scale quantum computer - a noisy quantum computer of medium scale). This investigation also involves theoretical and numerical simulation of quantum optical waveguides with control of coherent and squeezed states in such structures, which in the future will allow us to control signals in opto-electronic chips. Optimization of the two systems (quantum optical and superconducting) for operation in the adiabatic mode will form the basis for designing prototypes of logic devices in neuromorphic information processing systems.

По окончанию проекта предполагается достигнуть следующих результатов: • Готовая модель физических процессов в сверхпроводниковых нейронах, позволяющая сформулировать рекомендации для достижения требуемых характеристик элемента для решения конкретной задачи; • Готовая модель физических процессов в сверхпроводниковом синапсе, позволяющая добиться требуемых характеристик элемента, сопряженного с нейроном, для решения конкретной задачи; • Готовая модель физических процессов в сверхпроводниковом ReLU, позволяющая добиться требуемых характеристик элемента для решения конкретной задачи; • Готовая модель физических процессов в волноводной структуре на основе мета-сред, в которой распространяется электромагнитный импульс, позволяющая создавать когерентные и пространственно сжатые состояния классической электромагнитной волны и оценивать времена потери когерентности. Кроме того, данная модель предполагает включение процессов диссипации.

Научный руководитель, Кленов Н.В., имеет большой, международный признанный опыт экспериментального и теоретического исследования гибридных структур на основе сверхпроводников, диэлектриков, металлов (включая ферромагнетики), перспективных для использования в новых поколениях макроскопической квантовой электроники. В области исследования принципов функционирования цифровых схем сверхпроводниковой электроники обзорная работа цитируется в международной дорожной карте по развитию устройств и систем, IRDS 2017. С его активным участием были выполнены многочисленные исследования как элементарных ячеек сверхпроводниковых схем, так и их нелинейных компонент – джозефсоновских контактов. В частности, авторами был разработан аналитический метод, позволяющий рассчитывать основные характеристики двухконтактных интерферометров в диапазоне часто используемых на практике значений индуктивности контура, выходящем за рамки известных приближений. Данный метод лег в основу целого ряда исследований. Так, с использованием данного подхода был развит метод определения ток-фазового соотношения джозефсоновских контактов с помощью несимметричного двухконтактного СКВИДа. Этот же подход был положен в основу авторского метода оптимизации базовых элементов адиабатической сверхпроводниковой логики посредством привнесения в их схемы джозефсоновских пи-контактов. Использование данного подхода позволяет в перспективе также проектировать и исследовать новые компоненты адиабатических схем, на базе которых возможна реализация искусственного нейрона для нейросетей типа многослойного персептрона и нейросетей на радиально-базисных функциях. В результате применения данного подхода возникла также широко известная модификация СКВИДа (биСКВИД), обладающая линейным откликом напряжения на приложенный магнитный сигнал. Теоретическому и экспериментальному исследованию различных модификаций СКВИД-структур с линеаризованным откликом напряжения посвящен цикл работ, а наиболее удачные конструкции защищены патентами.