Krievijas zinātniskā centra ar kvantu datoru un biosensoriem mērķi un uzdevumi

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Kvantu datoru parādīšanās ļaus cilvēcei radīt jaunus degvielas veidus un panākt izrāvienu medicīnā. Šim viedoklim piekrīt Maskavas Valsts tehniskās universitātes Zinātniskā centra "Funkcionālās mikro/nanosistēmas" direktors. N. E. Baumanis Iļja Rodionovs. Viņaprāt, viens no viņa vadītās laboratorijas galvenajiem uzdevumiem ir kvantu skaitļošanas ierīču izstrāde. Zinātnieks intervijā RT stāstīja arī par biosensoru izstrādi cilvēka stāvokļa diagnosticēšanai reāllaikā.

– Kā tapa jūsu centrs, kas tas ir?

– Centrs tika izveidots ne tik sen, pirms pieciem gadiem. Tās izveides ideja balstās uz tādu ierīču izstrādi, kuru pamatā ir jauni fiziski principi. Mēs gribējām radīt tehnoloģijas, kuru pasaulē vēl nav un kas dos labumu cilvēkiem.

Centra izveidē tika iesaistīti 11 vadošie pasaules uzņēmumi, kas ļāva nodrošināt nepieciešamo infrastruktūru un labāko aprīkojumu. Projekts tika īstenots ātri, tikai viena gada laikā. Pēc trim mēnešiem sākām izstrādāt tehnoloģiskos risinājumus, uz kuru pamata šodien tiek veidotas visas centrā esošās iekārtas.

Centra pamatā ir "tīrā telpa" - industriāla telpa, kurā tiek kontrolēts mitrums, temperatūra un daļiņu daudzums gaisā. Šie parametri ir ļoti svarīgi, jo mēs strādājam ar ļoti mazām struktūrām, kuru izmērs ir aptuveni 10 nanometri, kas ir tūkstošdaļas no cilvēka mata diametra.

Jūs veicat pētījumu par elementu bāzes izstrādi jaunas paaudzes ierīcēm: no kvantu datoriem līdz bioloģiskajiem sensoriem. Ko tev izdevās izdarīt?

– Es izceltu trīs galvenās jomas, kurās mūsu rezultāti ir sasnieguši pasaules līmeni un vietām pat pārsnieguši to. Centrs ir vadošais tehnoloģiskais darbuzņēmējs diviem lielākajiem projektiem Krievijā kvantu skaitļošanas jomā. Katrs no tiem izstrādā savu elementu bāzi: fotoniskās mikroshēmas, kuru pamatā ir nanofotonikas principi, un kubitu shēmas, kuru pamatā ir supravadītāji.

Visas vadošās laboratorijas Krievijā, kas nodarbojas ar kvantu skaitļošanu, izmanto mūsu mikroshēmas. Atsevišķos parametros mūsu ierīču funkcionālie elementi demonstrē rezultātus, kas pārsniedz pasaules līmeni.

Otra joma ir biotehnoloģija. Ir izstrādātas vairākas tehnoloģijas tā saukto laboratoriju izveidošanai mikroshēmā. Šis ir virziens, kas nākotnē palīdzēs glābt dzīvības. Mēs izstrādājam pārnēsājamas ierīces, kas varētu reāllaikā diagnosticēt cilvēka stāvokli un pat veikt terapeitisko efektu.

Trešā svarīgākā joma ir sensoru sensoru un starojuma avotu izstrāde. Pēdējo trīs gadu laikā esam uzstādījuši vairākus pasaules rekordus vienlaikus, izveidojuši bioloģiskos sensorus ar rekordjutību pret īpaši svarīgiem marķieriem. Daži no šiem sensoriem var noteikt līdz trim vielas daļiņām uz triljoniem vielas daļiņu, kurās tie ir izšķīdināti. Mūsdienās pasaulē nav tādu ierīču.

Kopā ar mūsu amerikāņu partneriem mēs ražojam konstrukcijas, uz kurām tiek izveidoti viena fotona avoti. Tās ir ierīces, ko izmanto bioloģijā, kvantu skaitļošanā un sakaros.

– Kā centrā tiek organizēts darbs ar skolēniem? Vai jūs saņemat visu vai tikai labāko no labākajiem un konkrētam projektam?

– Šeit nokļūst labākie no labākajiem, un ne tikai no mūsu universitātes. Centrā strādā vairāk nekā 90% Baumankas studentu un absolventu, kā arī puiši no Maskavas Valsts universitātes un Phystech. Esam atvērti visu augstskolu studentiem un absolventiem. Starp citu, es bieži saku: "Puiši, mums šeit nav studentu." Tas nozīmē tikai vienu – visi, kas šeit nonāk, uzreiz strādā ar praktiskām problēmām. Krievu mācību metodes pamatā, ar ko Baumanka ir slavena, ir mācīšana uz reāliem, "kaujas" uzdevumiem. Katrs students ir mūsu darbinieks.

– Ikvienam ir pieejams aprīkojums un materiāli, vai var kaut ko darīt pats?

- Atsevišķas iekārtas iekštelpās "tīrajā telpā" maksā 2-3 miljonus eiro, tāpēc, protams, ne visiem ir piekļuve. Lai varētu patstāvīgi strādāt ar šādu aprīkojumu, jums ir jāiziet daudzpakāpju apmācības sistēma. Pirmais pārbaudījums ir eksāmens par uzvedības un darba noteikumu zināšanām "tīrajās telpās".

Pēc tam puiši iziet vairākus apmācības posmus ārzemēs – vai nu no iekārtu ražotāja, vai mums draudzīgās laboratorijās. Viņi mācās ilgu laiku – lai piekļūtu atsevišķām iekārtām, jāmācās apmēram gadu.

– Jūs minējāt, ka jūsu centrā izgatavotās mikroshēmas tiek izmantotas visās vadošajās Krievijas laboratorijās, kas nodarbojas ar kvantu skaitļošanu. Kā jūsu izstrādātie darbi palīdzēs izveidot kvantu datoru reālas fiziskas ierīces veidā?

- Kvantu datora uzbūve ir ārkārtīgi grūts uzdevums. Integrētu ierīču, procesoru mikroshēmu izstrāde ir tikai daļa no globālā kvantu projekta. Tas ietver arī vissarežģītākos algoritmus, īpašas programmatūras izveidi, eksperimentālas kriogēnas instalācijas.

Pie izvirzīto mērķu risināšanas šobrīd strādā liela profesionāļu komanda no dažādām augstskolām un pētniecības grupām. Mūsu uzdevums ir nodrošināt kolēģus ar kvalitatīvu elementu bāzi, kas kalpos par pamatu Krievijas kvantu datoram.

– Kad un kur, jūsuprāt, parādīsies pirmais reālais funkcionālais universālais kvantu dators? Kāpēc tā attīstība ir svarīga?

– Grūti prognozēt, kur un kad tiks izveidots kvantu dators. Pasaules vadošo laboratoriju un uzņēmumu eksperti sauc terminus no 5 līdz 20 gadiem. Mums centrā ir jauni darbinieki, bet prognozēs esam prātīgi. Pat 15-20 gadi ir ļoti tuvs laiks. Iespējas, ko sniegs kvantu dators, ir bezgalīgas, tās pilnībā mainīs cilvēces dzīvi. Sākot no zālēm, medicīnas iekārtām un beidzot ar jaunu enerģiju, jauniem materiāliem.

Pastāv iespēja, ka mēs beidzot varēsim uzvarēt vēzi. Daudzām pielietojuma jomām ir nepieciešama īpaši ātra kvantu sistēmu skaitļošana un simulācija, kas ļaus izgatavot kvantu procesoru. Tas ir liels cilvēces sasniegums, kas neapšaubāmi kļūs par realitāti. Un es ceru, ka tas notiks tieši šeit.

– Jūs runājāt par biosensoru izveidi un tehnoloģiju attīstību tiem paredzēto materiālu radīšanai. Vai ir funkcionējoši prototipi, daudzsološas izstrādes, par kurām var runāt?

- Mūsu lepnums ir jauna pieeja epitaksiālo materiālu izveidē (materiāli ar perfektu kristāla režģi. - RT). Iepriekš tie tika izgatavoti, izmantojot ļoti dārgas metodes. Mūsu komandai izdevās izstrādāt salīdzinoši lētu tehnoloģiju, kuru patentējām Krievijas Federācijā, un tagad mēs izsniedzam starptautisku patentu.

Mēs uzzinājām, kā izveidot epitaksiālo sudrabu, pie kura zinātnieki visā pasaulē ir neveiksmīgi strādājuši pēdējos 60 gadus. Uz sudraba bāzes izveidotas vairākas unikālas plazmoniskas ierīces: starojuma avots, sensors ar rekordjutību, bioloģisko marķieru detektori sirds un asinsvadu slimību noteikšanai.

Tāda pati tehnoloģija ir piemērojama citiem metāliem, ko izmanto biosensorikā un viena fotona avotos. Piemēram, pamatojoties uz epitaksiālo alumīniju, mēs izgatavojam supravadošus kubitus. Mūsu risinājums izrādījās patiesi universāls.

Pastāstiet par nanofotonikas lomu un nozīmi. Kāpēc Krievijai ir jāattīsta šis virziens?

- Elektronika pēdējo desmitgažu laikā ir attīstījusies ļoti strauji. Šo ierīču nesēji ir elektroni. Bet elektrons pēc būtības ir ierobežots. Savukārt fotonika dod mums iespēju strādāt ar citu informācijas nesēju – fotonu, kuru var vadīt.

Gaisma ir ātrākā, kāda mums ir. Ideālāki nesēji cilvēcei joprojām nav zināmi. Tāpēc mēs uzskatām, ka viss, kas saistīts ar nanofotoniku, ir ārkārtīgi daudzsološs. Tie ir jauni skaitļošanas ierīču veidi, jaunas bioloģiskās ierīces, vesela virkne pielietoto virzienu.

– Jūs jau minējāt "laboratoriju mikroshēmā". Kas tas ir, kā to var piemērot vai tas jau tiek piemērots?

- “Laboratorija uz mikroshēmas” - mēģinājums mainīt darba pamatu biomedicīnas analīžu jomā. Piemēram, lai šodien veiktu asins analīzi, dodamies uz laboratoriju un paņemam paraugu. Tad kādu laiku - vairākas stundas vai vairākas dienas - gaidām rezultātu. Tātad "laboratorijā uz mikroshēmas" darbs ar paraugiem tiek pārnests uz mikrometru līmeni, uz mikroskalu. Tas ļauj radikāli paātrināt visus procesus.

Mūsu stāvokli būs iespējams novērtēt reāllaikā. Mēs nēsāsim kabatās kaut kādu aparātu, kas pateiks, ka viss kārtībā. Vai, piemēram, ka ir pārsniegts holesterīna līmenis vai cits svarīgs rādītājs.

Kādus sīkrīkus cilvēks izmantos tuvākajā nākotnē? Kas aizstās esošos "viedos pulksteņus"?

- Ja iedomājamies, ka ir izveidots kvantu dators un “laboratorija uz mikroshēmas” tipa ierīces, kurās ir “uz borta” fotonikas ierīces, ar kurām aktīvi strādājam, tad mūsu “viedos pulksteņus” var pārvērst par strādājošs datu centrs ar jaudu, kas ir lielāka nekā jebkuram superdatoram uz Zemes. Un tas ir tikai sākums.

Kāpēc mašīnas nelido? Jo mums nav tāda degvielas avota, kas ļautu ilgstoši uzturēt dzinēju darbību. Pastāv vertikālā pacelšanās strūkla, un šādu dzinēju varētu ievietot automašīnā. Tomēr tam būs nepieciešama visa degvielas tvertne.

Kvantu dators ļaus aprēķināt vielas ar iepriekš noteiktām īpašībām un radīt jaunus degvielas avotus. Līdz ar to lietu parādīšanos, ko mēs šodien darām centrā, nāks daudz jaunu tehnoloģiju, un visas šīs fantastiskās Zvaigžņu karu filmas pēc kāda laika būs tuvu realitātei.