У России есть хорошие шансы занять свои ниши в сфере радиофотоники

31.01.2018

-

На вопросы научно-технического журнала «Интеллект & Технологии» отвечает научный руководитель Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН академик Юрий Гуляев.

ТЕХНОЛОГИЯ, ЗАВОЕВАВШАЯ МИР

– Юрий Васильевич, многие эксперты отмечают, что фотонные технологии становятся одним из локомотивов инновационного развития мировой экономики. Почему именно эта дисциплина сейчас в таком приоритете, когда, казалось бы, знаменательными достижениями богаты многие другие сферы и направления мировой науки?

– Радиофотоника использует как классические, так и квантовые свойства электромагнитных волн коротковолновых диапазонов, в частности светового, что позволяет преодолеть принципиальные физические ограничения традиционной электроники. В ее основе – модуляция лазерного излучения радиосигналом с дальнейшим преобразованием уже в оптическом диапазоне. Радиофотонные методы позволят улучшить функциональное построение аппаратуры нового поколения, снять многие проблемы электромагнитной совместимости, в тысячу и более раз поднять скорость и объем передачи информации, на порядок снизить вес, габариты и энергопотребление.

– Каковы мировые тенденции развития технологий и рынков фотоники?

– Мировым лидером развития радиофотоники являются США. К 2003 году там были получены принципиально новые решения по созданию твердотельных сверхвысокочастотных и сверхширокополосных оптоэлектронных устройств и компонентов, в которых большая часть преобразований и обработки сигналов производится в оптическом диапазоне. Исследовательские подразделения корпораций «Нортроп-Грумман», «Локхид-Мартин», «Боинг», «Рейтеон», IBM, а также специализированные фирмы создали не только компонентную базу радиофотоники, но и демонстраторы финальной продукции: РЛС и комплексы радиоэлектронной разведки, радиоэлектронной борьбы, связи, головки самонаведения.

В США радиофотоника патронируется государством и финансируется за счет сегмента IT Electronics Национальной нанотехнологической инициативы, включающей 15 направлений научно-технического развития. Кроме того, с 2012 года радиофотоника развивается в рамках Национальной инициативы в области фотоники. Для ее реализации в Рочестере в 2015 году был создан головной институт – Интегрированный институт фотоники для инноваций в промышленности.

В Евросоюзе фотоника (с радиофотоникой) признана одной из семи ключевых технологий (key enabling technologies). В Европейской комиссии создано специальное подразделение для координации усилий стран ЕС в части развития фотоники, организована Технологическая платформа ЕС Photonics21. На поддержку программ и проектов, рекомендованных этой платформой (НИОКР и создание необходимой инфраструктуры), ежегодно из бюджета ЕС выделяется около 100 миллионов евро (финансирование фотоники было предусмотрено отдельной строкой в 7-й Рамочной программе Евросоюза и продолжается в рамках Стратегии HORIZON 2020). В результате средние темпы роста объемов производства фотоники в ЕС в последние пять лет составляют 8–10% (несмотря на рецессию экономики), а годовой объем производства продукции фотоники в ЕС еще в 2011 году достиг 62 миллиардов евро. В этой отрасли в Евросоюзе работает около 400 тысяч человек. Больше всего – в Германии, Великобритании, Франции, Нидерландах, Италии и Швейцарии. От технологий фотоники непосредственно зависит 25% всей европейской экономики и 10% всех работающих (около 30 миллионов рабочих мест).

В Китае действует специальная государственная целевая программа, которая за 12 лет привела к созданию около 5000 предприятий лазерно-оптической специализации и к росту объема производства продукции фотоники в среднем на 25–30% в год (в 2012 году – около 63 миллиардов долларов). В результате в 2015 году Китай стал мировым лидером по объему производства фотоники. Главными направлениями развития фотоники там являются телекоммуникации (в частности, на Китай приходится сегодня 60% мирового объема производства оптоволокна), медицинские технологии (80% всех медицинских учреждений КНР с числом пациентов более 200 уже имеют специальные отделения лазерной диагностики и/или лечения), новые производственные технологии. Кроме того, в Китае активно развивается оборонная фотоника.

В целом мировой рынок фотоники составляет сегодня около 500 миллиардов долларов в год, темпы его ежегодного роста – 7–8%.

– Основными мировыми трендами, задающими вектор развития современных технологий, признаны Big Data и конвергенция фотоники, в том числе и радиофотоники, с компьютерными технологиями и биотехнологиями. Оно и понятно: информации становится все больше, а традиционные каналы связи для передачи данных уже крайне перегружены, их пропускных способностей не хватает. Вот рынок и ставит перед учеными задачи, тесно связанные с фотонными технологиями. И первая из них заключается в интеграции оптических систем в среды для передачи, обработки и хранения информации. Верно ли, что в рамках ее реализации речь идет о создании оптического компьютера?

– Квантовая технология представляет собой качественно иной способ хранения и обработки информации. Высокий интерес к ней основан на возможности революционного, а не эволюционного скачка в информационных технологиях – например, решения проблемы Big Data. Несмотря на значительное число предложенных теоретических моделей и разработанных экспериментальных макетов, возможность широкого практического использования квантовых технологий остается неопределенной, по крайней мере в ближайшие 10–20 лет.

В настоящее время переход на технологии, основанные на использовании фотоники, является одним из основных трендов в современных коммуникациях и высокопроизводительных вычислениях. Все задачи, рассматриваемые этим направлением, можно разбить на две тесно связанные категории: квантовую коммуникацию и квантовые вычисления.

Из всех приложений квантовых технологий на сегодняшний день наиболее развитыми являются технологии квантовых коммуникаций. Применение квантовых эффектов в телекоммуникациях в первую очередь открывает новые возможности по созданию защищенных каналов связи. На сегодняшний день в мире уже запущено более десятка квантовых коммуникационных систем различного характера – от научных исследований до коммерческого использования. В США и Евросоюзе ведется работа по стандартизации квантовых сетей и устройств.

Первые многоузловые квантовые сети уже продемонстрированы в США, Китае, Японии и Евросоюзе. В то же время системы квантовых коммуникаций еще не окончательно готовы к внедрению в телекоммуникационные сети, поскольку не найдены эффективные решения целого ряда практически важных задач.

В области квантовых вычислений на настоящий момент существует лишь ограниченное число алгоритмов, направленных на решение вычислительно сложных задач. В ближайшие 10 лет ожидается дальнейшее развитие квантовых алгоритмов для обработки большого объема данных, машинного обучения, поиска информации. Квантовые компьютеры для некоторого круга задач должны будут на несколько порядков превзойти по производительности свои классические аналоги.

ДОРОЖНАЯ КАРТА ПРОБ И ОШИБОК

– Парадоксально, однако Россия, обладая мощным научным потенциалом в области изучения фотоники, а также большим опытом в проведении разработок в этой сфере и большим числом предприятий и организаций, активно работающих по тематике фотоники, уступает другим странам по масштабам ее практического использования. Например, США, Европа, Китай, понимая огромное значение фотонного направления, уже создали долгосрочные планы развития, в которых предусматривается как создание отдельных технических решений, так и комплексное применение радиофотоники интегрального исполнения в радиочастотных системах. Почему же мы всегда отстаем? Каков он – сегодняшний уровень развития фотоники в России?

– Отечественные специалисты внесли фундаментальный вклад в становление фотоники. Подтверждением тому является присвоение Александру Прохорову, Николаю Басову и Жоресу Алферову Нобелевской премии. Тем не менее о радиофотонике в России знает лишь узкий круг специалистов. Наша страна слабо развивает собственные радиофотонные технологии. Работы сдерживаются отсутствием отечественных материалов, программных продуктов для моделирования компонентов и сложных устройств.

Без принятия экстраординарных мер уже через три-пять лет в стране возникнет проблема импортозамещения новой, фотонной номенклатуры компонентной базы и конечной продукции. Это моментально снизит уровень национальной безопасности и конкурентоспособность страны.

– Юрий Васильевич, на Ваш взгляд, какие факторы являются основным препятствием на пути широкого освоения фотонных технологий в России?

– Главной проблемой является проблема целеполагания, ошибки при формировании перечня приоритетных направлений развития науки и технологий: фотоники нет в Указе Президента РФ от 7 июля 2011 года № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации». Также понятно, что без должной государственной поддержки, адекватной решаемым задачам, в первую очередь определения и осуществления приоритетности, на голом энтузиазме серьезные перспективные задачи не будут решены.

Но имеется и масса других причин отставания. Так, первая попытка господдержки работ по фотонике была осуществлена лишь в 2013 году. Речь идет о технологической платформе «Фотоника» и ее производной – дорожной карте по фотонике. К сожалению, эти документы превратились в декларацию о намерениях, прежде всего из-за нескоординированности действий управляющих структур – Минпромторга, Минобрнауки, ФАНО и РАН, РФФИ, ФПИ, Сколтеха, «РОСНАНО». Согласованная и планируемая к финансированию и реализации дорожная карта была принята Правительством России только в 2016 году (распоряжение Правительства РФ от 23 июня 2016 года № 1299-р).

В замысле дорожной карты заложена принципиальная ошибка: технологии фотоники поделены на гражданские и оборонные, причем последние автоматически не включены в перечни работ. А ведь наибольшее и целенаправленное продвижение работ по радиофотонике достигнуто в Минобороны России в рамках ГПВ. Но Минпромторгом инициативы Минобороны по разным причинам не поддержаны.

При громадной потребности в синхронизации и сопряжении работ участвующие министерства, РАН, институты развития и госкорпорации работают нескоординированно. Между ними, да и внутри них (между департаментами и подразделениями, дочерними предприятиями и так далее), нет никакой координации, преемственности и комплексности работ.

ВРЕМЯ ДЕЙСТВОВАТЬ

– Давайте рассмотрим практическую ситуацию: по оценке специалистов, сегодня на внутреннем рынке по ряду объективных сложностей скоординированно не развивается такое важное направление, как радиофотоника. В частности, нет единой технической и организационной направленности на получение конечного результата. Зато есть проблемы, которые даже при наличии средств не позволят быстро решить задачи, связанные, например, с созданием интегральной компонентной базы радиофотоники. И это при том, что радиофотоника – это перспективное научное направление, которое в будущем определит вектор развития технологий двойного назначения во всем мире! А для самой России это будет огромный научный и технический прорыв, который обозначит переход к 6-му технологическому укладу. Каким Вам лично видится выход из сложившегося положения?

– У России есть хорошие шансы найти и занять свои ниши в сфере радиофотоники. Для этого надо хорошо и масштабно понимать научное и технологическое содержание происходящего, развивать нужные компетенции в сфере исследований и разработок, стимулировать предприятия и организации, рискующие входить в эту новую сферу, эффективно кооперироваться внутри страны и за ее пределами для удержания темпов разработок и формирования прорывов на рынки.

Необходимо разработать и утвердить межведомственную координационную программу в области радиофотонных технологий в стране. Соответствующее поручение в августе 2017 года дал вице-премьер РФ Дмитрий Рогозин. Эта программа должна минимизировать межведомственные барьеры и консолидировать органы государственной власти, науку и промышленность вокруг решения важных научно-технических и производственных проблем.

– Что еще необходимо предпринять отечественным ученым и исследователям, РАН и Министерству образования и науки России, чтобы вывести нашу страну на лидирующие позиции по разработкам в области фотонных технологий?

– Ключевые направления реализуются, как правило, через механизм федеральных целевых программ. Предложено скорректировать их после включения радиофотоники и отдельных ее технологий в список приоритетов. Кроме того, для ряда областей применения фотоники целесообразно сформировать специальные отраслевые программы.

Кроме того, необходимо создать и совместный перечень работ Минобрнауки, Минпромторга и Минобороны России для синхронизации НИР и ОКР, централизованно финансируемых федеральным бюджетом.

– Юрий Васильевич, по мнению ряда экспертов, для развития отечественной фотоники сейчас необходимы не только и не столько финансовая поддержка перспективных НИОКР, сколько поддержка процесса практического освоения высокоэффективных технологий фотоники в реальном секторе российской экономики, а также совершенствование регулирующей этот процесс нормативно-законодательной базы. Каково Ваше мнение на этот счет?

– В этом плане мы, безусловно, должны выйти за пределы существующего понимания «индустриальный партнер»: предприятия должны быть реально заинтересованы во внедрении радиофотонных технологий, то есть четко представлять материальную пользу и коммерческую составляющую своего участия. Вкладывать деньги в развитие перспективных технологий при отсутствии понимания потенциального объема рынка никто не будет.

– Развитие фотоники в России позволит нам нарастить компетенции, в том числе в рамках реализации федеральной программы импортозамещения?

– Вне всякого сомнения.

Сергей Васильев, Роман Фомишенко, «Интеллект & Технологии» №4(19)2017

-

©РАН 2018