Ciele a zámery ruského vedeckého centra s kvantovým počítačom a biosenzormi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Príchod kvantových počítačov umožní ľudstvu vytvárať nové druhy paliva a urobiť prelom v medicíne. Tento názor zdieľa aj riaditeľ vedeckého centra "Functional Micro / Nanosystems" na Moskovskej štátnej technickej univerzite. N. E. Bauman Iľja Rodionov. Jednou z hlavných úloh ním vedeného laboratória je podľa neho vývoj zariadení pre kvantové výpočty. V rozhovore pre RT vedec hovoril aj o vývoji biosenzorov na diagnostiku ľudského stavu v reálnom čase.

Ako vzniklo vaše centrum, čo to je?

- Centrum vzniklo nie tak dávno, pred piatimi rokmi. Myšlienka jeho vytvorenia je založená na vývoji zariadení založených na nových fyzikálnych princípoch. Chceli sme vytvárať technológie, ktoré vo svete ešte neexistujú a ktoré budú prínosom pre ľudí.

Na vzniku centra sa podieľalo 11 popredných svetových spoločností, čo umožnilo zabezpečiť potrebnú infraštruktúru a najlepšie vybavenie. Projekt bol implementovaný rýchlo, za jediný rok. O tri mesiace neskôr sme začali vyvíjať technologické riešenia, na základe ktorých dnes vznikajú všetky zariadenia v centre.

Centrum je založené na "čistej miestnosti" - priemyselnej miestnosti, v ktorej sa kontroluje vlhkosť, teplota a množstvo častíc vo vzduchu. Tieto parametre sú kriticky dôležité, pretože pracujeme s veľmi malými štruktúrami s veľkosťou približne 10 nanometrov, čo sú tisíciny priemeru ľudského vlasu.

Vykonávate výskum vývoja základne prvkov pre zariadenia novej generácie: od kvantových počítačov po biologické senzory. čo sa ti podarilo?

- Vyzdvihol by som tri kľúčové oblasti, v ktorých naše výsledky dosiahli svetovú úroveň a miestami ju aj prekročili. Centrum je popredným technologickým dodávateľom dvoch najväčších projektov v Rusku v oblasti kvantových výpočtov. Každý z nich vyvíja vlastnú základňu prvkov: fotonické čipy založené na princípoch nanofotoniky a qubitové obvody založené na supravodičoch.

Všetky popredné laboratóriá v Rusku, ktoré sa zaoberajú kvantovou výpočtovou technikou, používajú naše čipy. Funkčné prvky našich zariadení vykazujú v jednotlivých parametroch výsledky presahujúce svetovú úroveň.

Druhou oblasťou sú biotechnológie. Na vytváranie takzvaných laboratórií na čipe bolo vyvinutých niekoľko technológií. Toto je smer, ktorý v budúcnosti pomôže zachraňovať životy. Vyvíjame prenosné zariadenia, ktoré by dokázali diagnostikovať stav človeka v reálnom čase a dokonca vykonávať terapeutický účinok.

Treťou najdôležitejšou oblasťou je vývoj senzorových senzorov a zdrojov žiarenia. Za posledné tri roky sme vytvorili niekoľko svetových rekordov naraz, vytvorili biologické senzory s rekordnou citlivosťou na obzvlášť dôležité markery. Niektoré z týchto senzorov dokážu rozpoznať až tri častice hmoty na bilión častíc hmoty, v ktorej sú rozpustené. Takéto zariadenia dnes na svete neexistujú.

Spolu s našimi americkými partnermi vyrábame štruktúry, na ktorých vznikajú jednofotónové zdroje. Sú to zariadenia, ktoré sa používajú v biológii, kvantových výpočtoch a komunikáciách.

Ako je v centre organizovaná práca so študentmi? Dostávate všetko alebo len to najlepšie z najlepšieho a na konkrétny projekt?

- Dostanú sa sem najlepší z najlepších, a to nielen z našej univerzity. V centre pracuje viac ako 90% študentov a absolventov Baumanky, ako aj chlapci z Moskovskej štátnej univerzity a Phystech. Sme otvorení pre študentov a absolventov všetkých vysokých škôl. Mimochodom, často hovorím: "Chlapci, nemáme tu žiadnych študentov." To znamená jediné – každý, kto sa sem dostane, okamžite pracuje s praktickými problémami. Základom ruskej vyučovacej metódy, ktorou sa Baumanka preslávila, je vyučovanie na skutočných, „bojových“úlohách. Každý študent je náš zamestnanec.

Každý má prístup k zariadeniu a materiálom, môže robiť niečo vlastné?

- Jednotlivé časti zariadenia vo vnútri "čistej miestnosti" stoja 2-3 milióny €, a preto, samozrejme, nie každý má prístup. Predtým, ako budete môcť samostatne pracovať na takomto zariadení, musíte prejsť viacstupňovým tréningovým systémom. Prvým testom je skúška zo znalosti pravidiel správania a práce v „čistých priestoroch“.

Potom chalani absolvujú niekoľko etáp školení v zahraničí – buď od výrobcu zariadení, alebo v laboratóriách, ktoré sú k nám priateľské. Učia sa dlho – na získanie prístupu k jednotlivým častiam vybavenia je potrebné študovať približne rok.

Spomenuli ste, že čipy vyrobené vo vašom centre sa používajú vo všetkých popredných ruských laboratóriách zaoberajúcich sa kvantovou výpočtovou technikou. Ako pomôže váš vývoj pri vytváraní kvantového počítača vo forme skutočného fyzického zariadenia?

- Zostrojenie kvantového počítača je mimoriadne náročná úloha. Vývoj integrovaných zariadení, procesorových čipov je len časťou globálneho kvantového projektu. Zahŕňa aj najzložitejšie algoritmy, tvorbu špeciálneho softvéru, experimentálne kryogénne inštalácie.

Na riešení vytýčených cieľov v súčasnosti pracuje početný tím profesionálov z rôznych univerzít a výskumných skupín. Našou úlohou je poskytnúť kolegom kvalitnú základňu prvkov, ktorá bude slúžiť ako základ pre ruský kvantový počítač.

Kedy a kde sa podľa vás objaví prvý skutočný funkčný univerzálny kvantový počítač? Prečo je jeho vývoj dôležitý?

- Je ťažké predpovedať, kde a kedy vznikne kvantový počítač. Odborníci z popredných svetových laboratórií a podnikov označujú termíny od 5 do 20 rokov. V centre máme mladých zamestnancov, ale v prognózach sme triezvi. Aj 15-20 rokov je veľmi blízko. Možnosti, ktoré kvantový počítač dá, sú nekonečné, úplne zmenia život ľudstva. Počnúc liekmi, zdravotníckym vybavením a končiac novou energiou, novými materiálmi.

Je pravdepodobné, že sa nám konečne podarí poraziť rakovinu. Veľký počet oblastí použitia si vyžaduje ultrarýchle výpočty a simuláciu kvantových systémov, ktoré umožnia vyrobiť kvantový procesor. Ide o veľký úspech ľudstva, ktorý sa nepochybne stane realitou. A dúfam, že sa to stane práve tu.

Hovorili ste o vytvorení biosenzorov a vývoji technológie na vytváranie materiálov pre ne. Existujú funkčné prototypy, sľubný vývoj, o ktorých môžete hovoriť?

- Našou pýchou je nový prístup k tvorbe epitaxných materiálov (materiály s dokonalou kryštálovou mriežkou. - RT). Predtým sa vyrábali veľmi drahými metódami. Nášmu tímu sa podarilo vyvinúť pomerne lacnú technológiu, ktorú sme si patentovali v Ruskej federácii a teraz vydávame medzinárodný patent.

Naučili sme sa vytvárať epitaxné striebro, na ktorom vedci z celého sveta neúspešne pracovali posledných 60 rokov. Na báze striebra bolo vytvorených množstvo unikátnych plazmonických zariadení: zdroj žiarenia, senzor s rekordnou citlivosťou, detektory biologických markerov na určovanie kardiovaskulárnych ochorení.

Rovnaká technológia je použiteľná pre iné kovy používané v biosenzorike a v jednofotónových zdrojoch. Napríklad na základe epitaxného hliníka vyrábame supravodivé qubity. Naše riešenie sa ukázalo ako skutočne univerzálne.

Povedzte nám o úlohe a význame nanofotoniky. Prečo Rusko potrebuje rozvíjať tento smer?

- Elektronika sa v posledných desaťročiach veľmi rýchlo rozvíjala. Nosičmi v týchto zariadeniach sú elektróny. Ale elektrón je vo svojej podstate obmedzený. Fotonika nám na druhej strane dáva možnosť pracovať s iným nosičom informácií – fotónom, ktorý je možné ovládať.

Svetlo je to najrýchlejšie, čo máme. Dokonalejšie nosiče ľudstvo zatiaľ nepozná. Preto všetko, čo súvisí s nanofotonikou, považujeme za mimoriadne perspektívne. Ide o nové typy výpočtových zariadení, nové biologické zariadenia, celý rad aplikovaných smerov.

– Už ste spomínali „laboratórium na čip“. Čo to je, ako sa to dá aplikovať alebo sa to už aplikuje?

- „Laboratórium na čipe“- pokus zmeniť základ práce v oblasti biomedicínskych analýz. Napríklad, aby sme dnes dostali krvný test, ideme do laboratória a odoberieme vzorku. Potom nejaký čas - niekoľko hodín alebo niekoľko dní - čakáme na výsledok. Takže v „laboratóriu na čipe“je práca so vzorkami prenesená na mikrometrovú úroveň, na mikromeradlá. To vám umožní radikálne urýchliť všetky procesy.

Náš stav bude možné zhodnotiť v reálnom čase. Vo vreckách budeme nosiť nejaké zariadenie, ktoré povie, že je všetko v poriadku. Alebo napríklad, že je prekročená hladina cholesterolu či iný dôležitý ukazovateľ.

Aké pomôcky bude človek používať v blízkej budúcnosti? Čo nahradí doterajšie „inteligentné hodinky“?

- Ak si predstavíme, že vznikol kvantový počítač a zariadenia typu „laboratórium na čipe“, ktoré majú „na palube“fotonické zariadenia, s ktorými aktívne pracujeme, potom sa naše „inteligentné hodinky“môžu zmeniť na fungujúce dátové centrum s výkonom väčším ako ktorýkoľvek superpočítač na svete teraz. A toto je len začiatok.

Prečo autá nelietajú? Pretože nemáme zdroj paliva, ktorý by nám umožnil udržať motory v chode po dlhú dobu. Existuje vertikálny vzlet a takýto motor by sa dal umiestniť do auta. To si však vyžiada celú nádrž paliva.

Kvantový počítač umožní vypočítať látky s vopred určenými vlastnosťami a vytvoriť nové zdroje paliva. S príchodom vecí, ktoré dnes robíme v centre, príde množstvo nových technológií a všetky tieto fantastické filmy Star Wars sa po chvíli priblížia realite.