Группа квантовых технологий разработает и реализует проект создания защищенной квантовой сети на территории Московского университета. Сеть будет содержать не менее 20 клиентских узлов и в перспективе обеспечит защищенный документооборот между основными подразделениями университета. Сеть будет построена на принципах квантовой криптографии в топологии «звезда» и иметь выход в городскую сетевую инфраструктуру через индустриального партнера — компанию ИнфоТеКС. Квантовая сеть будет поддерживать передачу аудио- и видео- сообщений, обмен файлами, проведение аудио- и видео- конференций в защищенном формате и проч. Ведется также работа по созданию симуляторов — вычислителей для расчёта индивидуальных фармацевтических препаратов. Разрабатывается технология создания сложных 3D массивов интегрально-оптических волноводных структур, на основе которой планируется реализовать квантовые алгоритмы для изготовления индивидуальных лекарств, дозировка активных веществ и формула которых подбираются персонально. Персонифицированный подбор медикаментов необходимы прежде всего для лечения онкологических и аутоиммунных заболеваний, где изготовление препаратов основывается исходя из результатов генетических и молекулярных исследований.

В рамках данного направления рассматривается описание классических и квантовых систем в обобщенном фазовом пространстве. Планируется построение дисперсионной цепочки уравнений Власова для смешанных функций распределения и описание эволюции Hn-функций Больцмана, определяемых смешанными источниками диссипации в обобщенном фазовом пространстве. На основе дисперсионной цепочки уравнений Власова будет построена дисперсионная цепочка уравнений квантовой механики высших кинематических величин для смешанных волновых функций. На примере классических и квантовых систем будет рассмотрен вопрос об обратимости по времени дисперсионной цепочки уравнений Власова. В качестве математического аппарата планируется использовать ПСИ-алгебру с возможным ее расширением для смешанных функций распределений. Описанный подход будет применен при построении смешанного лагранжева и гамильтонова формализма в соответствии с дисперсионной цепочкой уравнений Власова. Планируется исследование свойств смешанных функций распределения на наличие у них областей отрицательных значений. В качестве простейшего примера будет рассмотрена функция Вигнера, широко используемая при описании квантовых систем в фазовом пространстве в задачах квантовой связи, квантовой томографии и квантовой информатики. Как показывают предварительные исследования, полюса функций распределения средних энергий квантовой системы в фазовом пространстве локализованы в областях отрицательных значений соответствующих функций распределения квази-вероятностей. Планируется расширение ПСИ-модели для микро и макросистем, поиск точных решений дисперсионной цепочки уравнений Власова.

В рамках направления проводится теоретическое и экспериментальное исследование физических и химических процессов, протекающих при взаимодействии плазмы с поверхностью материалов, которые по своим свойствам должны определить будущее микроэлектроники. Актуальность этого направления исследований обусловлена, в первую очередь, тем, что мировой прогресс в развитии элементной базы микроэлектроники во многом связан с использованием плазменных технологий в приложении к таким ключевым процессам производства современных СБИС, как травление (в особенности анизотропное и селективное) различных как проводящих, так и диэлектрических материалов современной микроэлектроники; плазмохимическое осаждение различных тонкопленочных материалов; структурная и химическая модификация поверхности.
Разработаны aвтомaтизиpoвaнные кoмпьютерные cиcтемы, пpеднaзнaченные для диaгнoстики, плaниpoвaния и кoнтpoля лечения пaциентов нa ocнoвe инфopмaции, пoлyчaeмoй пpи oбpaбoткe и aнaлизe 2D/ЗD/4D медицинскиx изoбpaжeний, фyнкциoнальных и лaбopaтopных исcлeдований. Paбoты пpoвoдятся в coтpyдничествe с ведyщими медицинскими нayчнo-исслeдoвaтeльскими центрами Pоссии. Мнoгиe peзyльтaты paбoт в виде пpoгpaммныx комплексов внедрены в пpaктическyю paбoтy медицинских учpeждений стpaны.
Также группой было разработано алгоритмическое и программное обеспечение оптической навигационной системы «МУЛЬТИТРЕК» для нейрохирургии и травматологии. В настоящее время на системе выполняются операции на головном мозге пациентов в операционных Клинического медицинского центр МГМСУ им. А. И. Евдокимова. Создана программа для оценки состояния и прогноза изменения состояния легких пациентов при COVID-19. Программа запущена в эксплуатацию для пациентов в отделении реанимации и интенсивной терапии ГКБ № 52, передана для использования в МНОЦ МГУ, используется Департаментом здравоохранения г. Москвы для автоматической диагностики КТ пациентов более чем 20 больниц. Уже обработано более 6000 исследований. Программа включена в региональную телемедицинскую систему Концерна Алмаз-Антей. Исследования в данной области будут продолжены в рамках направления «Цифровая медицина».

Группой планируется разработка новых наноструктурированных материалов с необычными оптическими свойствами, их комплексное исследование численными и экспериментальными методами. Необычность свойств будет заключаться в наличии узких, добротных резонансных особенностей в видимой и ИК частях спектра. Они возникают за счет особенной конфигурации локальных электромагнитных полей в субволновых объектах. Будут исследоваться металлические, полупроводниковые, диэлектрические и гибридные наночастицы. Для изготовления новых образцов будут использованы современные методы напыления и роста материалов, электронно-лучевой литографии, травления. Данный этап работы планируется выполнять в содружестве как с другими группами физического факультета, так и с внешними университетами и институтами, в том числе зарубежными. Методы численного моделирования позволят предсказать новые эффекты, продемонстрировать концентрацию световой волны в материале. Данные предсказания будут верифицированы в ходе эксперимента. Методы оптической спектроскопии позволят выявить положение резонансных особенностей, определить их добротность. Еще одно направление деятельности лаборатории будет посвящено управлению свойствами разработанных наноматериалов с целью контролирования параметров света. Его можно осуществить за счет приложения внешнего воздействия — магнитного или электрического поля, мощных лазерных импульсов. Представляют интерес эксперименты по исследованию сверхбыстрой динамики оптических процессов, поскольку благодаря им исследуемые структуры могут быть использованы как полностью оптические сверхбыстрые модуляторы. Подобные структуры и результаты исследований могут представлять интерес для телекоммуникационных технологий, систем мониторинга и контроля.

В области магнитооптики наноструктурированных сред будет изучена динамика намагниченности магнитофотонных структур в фотонных и плазмонных кристаллах, а также диэлектрических метаповерхностях на базе антиферромагнетиков. Это позволит продемонстрировать новые магнитооптические эффекты в плазмонных структурах как с одновременно нарушенными симметриями относительно инверсии пространства и времени, так и на основе антиферромагнитных пленок. Полученные результаты будут применены в задачах квантовых вычислений для объемной, полностью оптической записи информации с помощью магнитоплазмонных наноструктур. На их основе планируется разработать физические принципы магнитофотонных биосенсоров. Уже созданы высокочувствительные сенсоры магнитного поля, применяемые в том числе и для магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии.
В области акустооптического взаимодействия в наноструктурированных средах будет экспериментально продемонстрирована дифракция света, промодулированного ультразвуком, отраженного от фотонно-кристаллической структуры, имеющий узкий пик поглощения. Развитие теории и экспериментальное ее подтверждение позволит создать принципиально новое направление фотоники — акустофотонику, а в перспективе разработать целый класс устройств управления характеристиками оптического излучения.
Будут продолжены фундаментальные исследования оптических пространственно-временных солитонов в нелинейных структурах, в рамках которых будут выявлены условия формирования вихревых оптических пуль, исследованы активные неоднородные структуры с РТ-симметрией. Результаты исследований, носящие фундаментальный характер, будут применены для оптических вычислений и создания телекоммуникационных систем.

В настоящее время особенный интерес проявляется к локальным сенсорным устройствам, позволяющим измерять пространственное распределение электрического потенциала в наноструктурированных и наноразмерных объектах и системах, проводить неразрушающий мониторинг состояний квантовых систем, таких как квантовые точки, кубиты, одноэлектронные системы, структуры с квантовым эффектом, а также локально детектировать наночастицы и молекулы. Это требует, как предельной миниатюризации сенсоров интегрированных в диагностические системы, так и повышения их чувствительности.
Устройства на основе одиночных примесных атомов в твердотельных кристаллических структурах крайне перспективны в связи с высокими значениями характерной кулоновской энергии и энергии размерного квантования одиночных электронов, а также возможности манипулировать отдельными электронами, отдельными одночастичными энергетическими состояниями и спинами отдельных электронов.
Для изготовления экспериментальных структур предполагается использовать технологические процессы и методы современной наноэлектроники: прецизионная электронная литография, ионно-реактивное и жидкостное травление, вакуумное напыление, ионно-пучковые технологии и микроанализ, термический отжиг, атомно-слоевое осаждение. Важнейшим моментом при экспериментальном изготовлении одноатомных структур являются их теоретическое изучение и моделирование образов их поведения в различных конфигурациях и квантовых состояниях. Сложность теоретического рассмотрения таких систем связана с огромным числом их возможных квантовых состояний, которое увеличивается экспоненциально с увеличением числа активных примесных атомов в рассматриваемой многоэлектродной структуре.

В рамках направления планируется ряд исследований потоков вторичных частиц на медицинских линейных ускорителях электронов и протонов, вклад которых на сегодняшний день не оценивается на стадии планирования и с трудом поддается детектированию в условиях процедурного кабинета. Также планируется исследование утечки доз через многолепестковый коллиматор при работе медицинских ускорителей, использование аннигиляционных фотонов как метод контроля дозового распределения в лучевой терапии на пучках фотонов. Запланированы исследования альтернативных каналов получения целого ряда перспективных медицинских изотопов в фотоядерных реакциях. Нарабатывать медицинские радионуклиды на ускорителях электронов намного экономичнее и технологически проще, чем на ускорителях нуклонов и в реакторах. Так как для медицинских источников требуется высокая удельная активность и радиохимическая чистота, использование фотоядерных реакций с вылетом заряженных частиц позволяет работать с большими массами мишеней (порядка десятков граммов) и легко отделять радиохимическими методами нарабатываемый радионуклид от облучаемой матрицы, получая медицинский изотоп с высокой степенью чистоты.

В рамках направления проводятся исследования биофизических принципов самоорганизации гемостатического ответа при повреждении сосудов. В ходе реализации программы исследований ведется изучение динамики механо-рецепторных белков, задействованных в первичном гемостазе, построение математической модели адгезии и активации тромбоцитов в артериальных и венозных гемодинамических условиях, а также разработка трехмерно многомасштабной компьютерной модели роста артериального тромба. Для адекватного описания процесса активации тромбоцитов на внешние стимулы планируется редукция ранее созданной математической модели «Виртуальный тромбоцит» с целью включения в многомасштабные модели тромбообразования. Методами проточной цитометрии, флуоресцентной микроскопии и вестерн-блоттинга планируется анализ внутриклеточной сигнализации в тромбоцитах при активации тромбоцитов различными стимулами, а также в процессе тромбообразовании в ранее созданной ex vivo модели тромбоза. Полученные в рамках запланированных исследований результаты позволят установить ключевые механизмы регуляции динамики тромбообразования в сосудах, что существенно продвинет наше понимание устройства системы гемостаза и позволит в перспективе создать принципиально новые подходы к профилактике и терапии тромботических осложнений и кровотечений.

Влияние внешних факторов на белки, как на основные составные элементы живой природы, представляет собой одну из наиболее актуальных проблем физики конденсированного состояния вещества, а также экологии и медицины. При развитии различных патологий в организме параметры белковых молекул, такие как суммарный заряд, коэффициент межмолекулярного взаимодействия, коэффициент трансляционной диффузии, могут значительно изменяться. Планируется продолжить изучение физических механизмов сильных электростатических межмолекулярных взаимодействий в лиотропных системах (водных растворов белков и ферментов), содержащих заряженные макромолекулы, металлические ионы различных типов, включая комплексообразующие соединения, наночастицы.
В задачу исследования входит определение параметров межмолекулярного взаимодействия и размеров образующихся рассеивающих частиц в условиях изменения параметров лиотропных систем, таких как концентрация составляющих компонент системы, величина поверхностного заряда макромолекул (рН среды), ионная сила раствора (концентрация ионов), температура. Это позволит наблюдать кинетику происходящих процессов и объяснить физический механизм токсического воздействия, оказываемый тяжелыми металлами, наночастицами и ПАВами на живые системы.
Также будет выполнено исследование на основе методов инфракрасной термографии биологических динамических объектов:
1) дыхательных потоков в свободном режиме и при наличии преград (медицинские маски различных типов). Определение физических основ регистрации газо-капельных и газовых потоков. Определение связи параметром регистрируемого инфракрасного излучения с составом потока.
2) изменение потоотделения на кожных покровах при различных физических и психофизических состояниях объекта. Проблема важна в сфере медицины и психофизиологии (в исследованиях эмоционального потоотделения человека) а также -физики (для разработки методов регистрации испарительного поверхностного охлаждения).

Проведение исследований в областях мульти-ядерной квантовой магнитно-резонансной визуализации, цифровых методов анализа томографических изображений, неинвазивного фотонно-акустического подхода для диагностики и хирургии новообразований, цифровых фотонно-аддитивных технологий для восстановительной медицины, биофотонных методов анализа показателей крови, биосенсорного выявления вирусных инфекций, офтальмологических приложений фотонных методов терагерцового диапазона, мониторинга психоэмоциональных состояний человека. С целью подготовки молодых ученых для работы в заявленных научных областях коллективом школы будут разработаны и реализованы новые магистерские программы, ориентированные на решение современных задач биомедицинской фотоники, цифровой медицины и других междисциплинарных направлений.

По данному направлению совместно с МНОЦ МГУ будут решаться три основные задачи:
1. Будут разработаны новые методы интраоперационной диагностики в реальном времени для онкоурологии,
2. Будут разработаны новые устройства для персонализированного определения физиологических параметров, в том числе, носимые, а также методы анализа биожидкостей
3. Будут созданы новые технологии для неинвазивной оценки рисков при сердечно-сосудистых заболеваниях, а также проведена их адаптация для подбора терапии больных, переболевших COVID-19.
Указанные задачи по направлению «Цифровая медицина» связаны с применением технологий биомедицинской фотоники и являются новыми, их постановка непосредственно связана с созданием Школы и межфакультетским взаимодействием физфака, МНОЦ и ФФМ. Разработка новых физических методов (в частности, на основе биомедицинской фотоники) для диагностики социально-значимых заболеваний, их апробация в клинике и внедрение в клиническую практику является глобальной задачей группы.

Программа работы предусматривает разработку и развитие методов терагерцовой фотоники и оптоэлектроники для бесконтактной медицинской диагностики. Основное внимание будет уделено таким областям, как офтальмология и психофизиология. Будут предложены и изучены физические подходы к созданию диагностической аппаратуры, основанной на использовании излучения терагерцового диапазона. Большую важность будут иметь разрабатываемые практические методы, позволяющие использовать создаваемые устройства в клинической практике и других приложениях.
Планируется разработка механизмов диагностики риновирусной инфекции методами биофотоники, в том числе коронавирусной инфекции, с использованием импульсной терагерцовой спектроскопии.

Участники Школы со стороны МНОЦ МГУ непосредственно вовлечены в научную работу с какой-либо из указанных выше групп с физфака. Задачей, решаемой сотрудниками МНОЦ МГУ, является постановка важных для клинической практики задач, планирование и осуществление исследований в клинике, адаптация разрабатываемых методик под нужны врачей. Все направление «Цифровая медицина» Школы связано с участием клиницистов из МНОЦ, глобально, будут решаться задачи 1) онкоурологии, 2) кардиологии, 3) диагностики параметров крови, 4) анализа медицинских данных, 5) телемедицины. По каждой из этих задач имеются специалисты, присутствующие в коллективе МНОЦ. Помимо этого, клиницисты будут вовлечены в образовательную деятельность в рамках Школы.

Группа с ФФМ в рамках Школы будет работать по следующим направлениям: (1) фундаментальные исследования биохимии крови и гемореологии, (2) исследование межмолекулярных взаимодействий для диагностики патологических процессов в организме, (3) фундаментальные исследования для модернизации методов медицинской визуализации. Сотрудники МНОЦ будут разрабатывать и читать лекции в рамках новых учебных программ, создаваемых в рамках Школы (в частности, «Биомедицинская фотоника» и «Радиационная медицинская физика».