Цели и задачи русского научного центра с квантовым компьютером и биосенсорами
Появление квантовых компьютеров позволит человечеству создать новые виды топлива и осуществить прорыв в медицине. Такого мнения придерживается директор научного центра «Функциональные микро/наносистемы» при МГТУ им. Н.Э. Баумана Илья Родионов. По его словам, одной из главных задач возглавляемой им лаборатории является разработка приборов для квантовых вычислений. В интервью RT учёный также рассказал о разработке биосенсоров для диагностирования состояния человека в реальном времени.
— Как был создан ваш центр, что он собой представляет?
— Центр создан не так давно, пять лет назад. В основе идеи его создания лежит разработка устройств на новых физических принципах. Мы хотели создавать технологии, которых в мире ещё не существует и которые будут приносить пользу людям.
К созданию центра привлекли 11 ведущих мировых компаний, что позволило обеспечить необходимую инфраструктуру и лучшее оборудование. Проект был реализован стремительно, всего за один год. Спустя ещё три месяца мы приступили к разработке технологических решений, на базе которых сегодня создаются все устройства в центре.
Основой центра является «чистая комната» — производственное помещение, в котором контролируются влажность, температура, количество частиц в воздухе. Эти параметры критически важны, потому что мы работаем с очень малыми структурами, размером порядка 10 нанометров, а это тысячные доли диаметра волоса человека.
Илья Родионов о создании центра и «чистой комнате»
— Вы ведёте исследования по разработке элементной базы для приборов нового поколения: от квантовых компьютеров до биологических сенсоров. Что удалось сделать?
— Я бы выделил три ключевых направления, на которых наши результаты сегодня достигли мирового уровня и местами даже превысили его. Центр является головным технологическим исполнителем двух крупнейших проектов России в области квантовых вычислений. В каждом из них разрабатывается своя элементная база: фотонные чипы на основе принципов нанофотоники и кубитные схемы на основе сверхпроводников.
Во всех ведущих лабораториях России, которые занимаются квантовыми вычислениями, используются наши чипы. По отдельным параметрам функциональные элементы наших устройств демонстрируют результаты, которые превышают мировой уровень.
Второе направление — биотехнологии. Разработано сразу несколько технологий создания так называемых лабораторий на чипе. Это направление, которое в будущем поможет спасать жизни. Мы разрабатываем портативные устройства, которые могли бы в режиме реального времени диагностировать состояние человека и даже осуществлять лечебное воздействие.
Третье важнейшее направление — разработка сенсорных датчиков и источников излучения. За последние три года мы поставили сразу несколько мировых рекордов, создали биологические сенсоры с рекордной чувствительностью на особо важные маркеры. Некоторые из таких сенсоров могут обнаружить до трёх частичек вещества на триллион частиц веществ, в котором они растворены. Подобных аппаратов в мире сегодня нет.
Совместно с американскими партнёрами мы изготавливаем структуры, на которых создаются однофотонные источники. Это приборы, которые используются в биологии, квантовых вычислениях и коммуникациях.
Илья Родионов. Основные направления работы НОЦ ФМН
— Как организована работа в центре со студентами? К вам попадают все или только лучшие из лучших и под конкретный проект?
— Сюда попадают лучшие из лучших, и не только из нашего вуза. В центре работают более 90% студентов и выпускников Бауманки, а также ребята из МГУ и Физтеха. Мы открыты для учащихся и выпускников всех вузов. Кстати, я часто говорю: «Ребята, студентов у нас здесь нет». Это означает лишь одно — каждый, кто сюда попадает, сразу работает с практическими задачами. Основа русского метода обучения, которым славна Бауманка, — обучение на реальных, «боевых» задачах. Каждый студент — наш сотрудник.
— Все имеют доступ к оборудованию и материалам, могут делать что-то своё?
— Отдельные единицы оборудования внутри «чистой комнаты» стоят €2—3 млн. Поэтому, конечно, не каждый имеет доступ. Прежде чем самостоятельно работать на таком оборудовании, необходимо пройти многоступенчатую систему обучения. Первое испытание — экзамен на знание правил поведения и работы внутри «чистых помещений».
Отдельные единицы оборудования внутри «чистой комнаты» стоят €2—3 млн / © НОЦ ФМН
Затем ребята проходят несколько этапов обучения за рубежом — либо у производителя оборудования, либо в дружественных нам лабораториях. Учатся довольно долго — для получения доступа к отдельным единицам оборудования нужно учиться около года.
— Вы упомянули, что сделанные в вашем центре чипы используются во всех ведущих российских лабораториях, которые занимаются квантовыми вычислениями. Как ваши разработки помогут в деле создания квантового компьютера в виде реального физического прибора?
— Создание квантового компьютера — это крайне сложная задача. Разработка интегральных устройств, чипов-процессоров — лишь часть глобального квантового проекта. Он также включает в себя сложнейшие алгоритмы, создание специального программного обеспечения, экспериментальных криогенных установок.
Над решением поставленных целей сегодня работает большая команда профессионалов из различных университетов и научных групп. Наша задача — обеспечить коллег качественной элементной базой, которая послужит основой российского квантового компьютера.
— Когда и где, по вашему мнению, появится первый настоящий функциональный универсальный квантовый компьютер? Почему его разработка важна?
— Где и когда будет создан квантовый компьютер — прогноз дать сложно. Эксперты ведущих мировых лабораторий и предприятий называют сроки от 5 до 20 лет. У нас в центре сотрудники молодые, но мы трезво относимся к прогнозам. Даже 15—20 лет — очень близкий срок. Возможности, которые даст квантовый компьютер, безграничны, они полностью изменят жизнь человечества. Начиная от лекарств, медицинского оборудования и заканчивая новой энергетикой, новыми материалами.
На разработку квантового компьютера может потребоваться до 20 лет и больше / © НОЦ ФМН
Есть шансы, что мы наконец сможем победить онкологические заболевания. Большое количество прикладных направлений требуют сверхбыстрых вычислений и моделирования квантовых систем, что позволит сделать квантовый процессор. Это большое достижение человечества, которое, несомненно, станет реальностью. И надеюсь, это произойдёт именно здесь.
— Вы говорили о создании биосенсоров и разработке технологии создания материалов для них. Есть ли работающие прототипы, перспективные разработки, о которых можно рассказать?
— Наша гордость — новый подход к созданию эпитаксиальных материалов (материалов с совершенной кристаллической решеткой. — RT). Раньше их изготавливали с использованием очень дорогостоящих методов. Нашей же команде удалось разработать сравнительно дешёвую технологию, которую мы запатентовали в РФ, и сейчас оформляем международный патент.
Мы научились создавать эпитаксиальное серебро, над которым последние 60 лет безуспешно работали учёные всего мира. На базе серебра создан ряд уникальных плазмонных устройств: источник излучения, сенсор с рекордной чувствительностью, детекторы биологических маркеров для определения сердечно-сосудистых заболеваний.
Эта же технология применима и для других металлов, используемых в биосенсорике и в однофотонных источниках. Например, на основе эпитаксиального алюминия мы делаем сверхпроводящие кубиты. Наше решение оказалось по-настоящему универсальным.
— Расскажите о роли и значении нанофотоники. Почему России необходимо развивать это направление?
— Последние десятки лет очень бурно развивается электроника. Носителем в этих устройствах являются электроны. Но электрон по природе своей ограничен. Фотоника же даёт нам возможность работать с другим носителем информации — фотоном, которым можно управлять.
Илья Родионов о развитии нанофотоники
Свет — самое быстрое, что у нас есть. Более совершенные носители человечеству пока неизвестны. Поэтому всё, что связано с нанофотоникой, мы считаем крайне перспективным. Это новые типы вычислительных устройств, новые биологические приборы, целый веер прикладных направлений.
— Вы уже упомянули «лабораторию на чипе». Что это, как она может применяться или уже применяется?
— «Лаборатория на чипе» — попытка изменить базис работы в области биомедицинских анализов. Например, чтобы сегодня получить анализ крови, мы идём в лабораторию и сдаём пробу. Затем некоторое время — несколько часов или несколько дней — ждём результата. Так вот, в «лаборатории на чипе» работа с пробами переводится на микрометровый уровень, на микромасштаб. Это позволяет радикально ускорить все процессы.
Появится возможность в режиме реального времени оценивать наше состояние. Мы будем носить в кармане некий прибор, который будет говорить, что всё хорошо. Или, например, о том, что превышен уровень холестерина или другой важный показатель.
— Какие гаджеты будет в скором времени использовать человек? Что придёт на смену уже существующим «умным часам»?
— Если представить, что созданы квантовый компьютер и приборы типа «лаборатории на чипе», располагающие «на борту» устройствами фотоники, с которой мы сейчас активно работаем, то наши «умные часы» можно превратить в работающий центр обработки данных с мощностью большей, чем любой суперкомпьютер на Земле сейчас. И это только начало.
Квантовый компьютер позволит просчитать вещества с заданными наперёд свойствами и создать новые источники топлива / © НОЦ ФМН
Почему машины не летают? Потому что у нас нет источника топлива, которое позволило бы нам в течение долгого времени поддерживать работу двигателей. Реактивный самолёт с вертикальным взлётом существует, и такой двигатель можно было бы поставить в машину. Однако для этого потребуется целая цистерна топлива.
Квантовый компьютер позволит просчитать вещества с заданными наперёд свойствами и создать новые источники топлива. С появлением тех вещей, которыми мы занимаемся сегодня в центре, придёт много новых технологий, и все эти фантастические фильмы про звёздные войны будут близки к реальности через какое-то время.
Арсений Скрынников
Заглавное фото: © НОЦ ФМН
