Cele i zadania rosyjskiego centrum naukowego z komputerem kwantowym i biosensorami

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Pojawienie się komputerów kwantowych pozwoli ludzkości stworzyć nowe rodzaje paliw i dokonać przełomu w medycynie. Opinię tę podziela dyrektor Centrum Naukowego „Funkcjonalne Mikro/Nanosystemy” na Moskiewskim Państwowym Uniwersytecie Technicznym. N. E. Bauman Ilja Rodionow. Według niego jednym z głównych zadań kierowanego przez niego laboratorium jest rozwój urządzeń do obliczeń kwantowych. W rozmowie z RT naukowiec mówił także o rozwoju bioczujników do diagnozowania stanu człowieka w czasie rzeczywistym.

Jak powstało twoje centrum, co to jest?

- Centrum powstało nie tak dawno, pięć lat temu. Idea jego powstania opiera się na rozwoju urządzeń opartych na nowych zasadach fizycznych. Chcieliśmy stworzyć technologie, które jeszcze nie istnieją na świecie, a które przyniosą korzyści ludziom.

W stworzenie centrum zaangażowało się 11 czołowych światowych firm, co pozwoliło zapewnić niezbędną infrastrukturę i najlepszy sprzęt. Projekt został wdrożony błyskawicznie, w ciągu zaledwie jednego roku. Trzy miesiące później zaczęliśmy opracowywać rozwiązania technologiczne, w oparciu o które dziś powstają wszystkie urządzenia w centrum.

Centrum opiera się na „clean roomie” – pomieszczeniu przemysłowym, w którym kontrolowana jest wilgotność, temperatura i ilość cząstek w powietrzu. Parametry te są niezwykle ważne, ponieważ pracujemy z bardzo małymi strukturami, wielkości około 10 nanometrów, które stanowią tysięczne średnicy ludzkiego włosa.

Prowadzisz badania nad rozwojem bazy pierwiastkowej dla urządzeń nowej generacji: od komputerów kwantowych po czujniki biologiczne. Co udało Ci się zrobić?

- Wyodrębniłbym trzy kluczowe obszary, w których nasze wyniki osiągnęły światowy poziom, aw niektórych miejscach nawet go przekroczyły. Centrum jest wiodącym wykonawcą technologicznym dwóch największych projektów w Rosji w dziedzinie obliczeń kwantowych. Każdy z nich rozwija własną bazę pierwiastków: chipy fotoniczne oparte na zasadach nanofotoniki oraz obwody kubitowe oparte na nadprzewodnikach.

Wszystkie wiodące laboratoria w Rosji zajmujące się obliczeniami kwantowymi używają naszych chipów. W poszczególnych parametrach elementy funkcjonalne naszych urządzeń wykazują wyniki przekraczające światowy poziom.

Drugi obszar to biotechnologia. Opracowano kilka technologii tworzenia tak zwanych laboratoriów na chipie. To jest kierunek, który w przyszłości pomoże ratować życie. Opracowujemy przenośne urządzenia, które mogą w czasie rzeczywistym diagnozować stan człowieka, a nawet wywoływać efekt terapeutyczny.

Trzecim najważniejszym obszarem jest rozwój czujników sensorowych i źródeł promieniowania. W ciągu ostatnich trzech lat ustanowiliśmy jednocześnie kilka rekordów świata, stworzyliśmy czujniki biologiczne o rekordowej czułości na szczególnie ważne markery. Niektóre z tych czujników mogą wykryć do trzech cząstek materii na bilion cząstek materii, w których są rozpuszczone. Takich urządzeń nie ma dziś na świecie.

Wraz z naszymi amerykańskimi partnerami produkujemy konstrukcje, na których tworzone są źródła jednofotonowe. Są to urządzenia wykorzystywane w biologii, obliczeniach kwantowych i komunikacji.

Jak zorganizowana jest praca ze studentami w ośrodku? Czy dostajesz wszystko, czy tylko to, co najlepsze z najlepszych i dla konkretnego projektu?

- Przyjeżdżają tu najlepsi z najlepszych i to nie tylko z naszej uczelni. W centrum pracuje ponad 90% studentów i absolwentów Baumanki, a także chłopaków z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego i Phystech. Jesteśmy otwarci na studentów i absolwentów wszystkich uczelni. Nawiasem mówiąc, często mówię: „Chłopaki, nie mamy tutaj uczniów”. Oznacza to tylko jedno – każdy, kto tu dotrze, od razu pracuje z praktycznymi problemami. Podstawą rosyjskiej metody nauczania, z której słynie Baumanka, jest nauczanie na prawdziwych, „bojowych” zadaniach. Każdy uczeń jest naszym pracownikiem.

Każdy ma dostęp do sprzętu i materiałów, czy może zrobić coś samodzielnie?

- Poszczególne elementy wyposażenia wewnątrz „czystego pokoju” kosztują 2-3 mln euro, dlatego oczywiście nie każdy ma do nich dostęp. Zanim będziesz mógł samodzielnie pracować na takim sprzęcie, musisz przejść wieloetapowy system treningowy. Pierwszy test to egzamin ze znajomości zasad zachowania i pracy w „pokojach czystych”.

Następnie chłopaki przechodzą przez kilka etapów szkolenia za granicą – czy to u producenta sprzętu, czy w przyjaznych nam laboratoriach. Uczą się długo - aby uzyskać dostęp do poszczególnych elementów wyposażenia, trzeba uczyć się przez około rok.

Wspomniałeś, że chipy wykonane w twoim ośrodku są używane we wszystkich wiodących rosyjskich laboratoriach zajmujących się obliczeniami kwantowymi. W jaki sposób twoje osiągnięcia pomogą w stworzeniu komputera kwantowego w postaci rzeczywistego urządzenia fizycznego?

- Budowa komputera kwantowego to niezwykle trudne zadanie. Rozwój zintegrowanych urządzeń, chipów procesorowych to tylko część globalnego projektu kwantowego. Obejmuje również najbardziej złożone algorytmy, tworzenie specjalnego oprogramowania, eksperymentalne instalacje kriogeniczne.

Nad rozwiązaniem postawionych celów pracuje obecnie duży zespół profesjonalistów z różnych uczelni i grup badawczych. Naszym zadaniem jest dostarczenie naszym kolegom wysokiej jakości bazy pierwiastkowej, która posłuży jako podstawa dla rosyjskiego komputera kwantowego.

Jak myślisz, kiedy i gdzie pojawi się pierwszy prawdziwy funkcjonalny uniwersalny komputer kwantowy? Dlaczego jego rozwój jest ważny?

- Trudno przewidzieć, gdzie i kiedy powstanie komputer kwantowy. Eksperci z wiodących światowych laboratoriów i przedsiębiorstw nazywają terminy od 5 do 20 lat. W centrum mamy młodych pracowników, ale prognozujemy trzeźwo. Nawet 15-20 lat to bardzo bliski czas. Możliwości, jakie da komputer kwantowy, są nieskończone, całkowicie zmienią życie ludzkości. Począwszy od leków, sprzętu medycznego a skończywszy na nowej energii, nowych materiałach.

Są szanse, że w końcu będziemy w stanie pokonać raka. Duża liczba obszarów zastosowań wymaga ultraszybkich obliczeń i symulacji systemów kwantowych, co umożliwi wykonanie procesora kwantowego. To wielkie osiągnięcie ludzkości, które niewątpliwie stanie się rzeczywistością. I mam nadzieję, że stanie się to właśnie tutaj.

Mówiłeś o tworzeniu bioczujników i rozwoju technologii tworzenia dla nich materiałów. Czy istnieją działające prototypy, obiecujące rozwiązania, o których możesz porozmawiać?

- Naszą dumą jest nowe podejście do tworzenia materiałów epitaksjalnych (materiały o doskonałej sieci krystalicznej. - RT). Wcześniej wykonywano je bardzo kosztownymi metodami. Naszemu zespołowi udało się opracować stosunkowo tanią technologię, którą opatentowaliśmy w Federacji Rosyjskiej, a teraz wydajemy patent międzynarodowy.

Nauczyliśmy się tworzyć epitaksjalne srebro, nad którym naukowcy na całym świecie bezskutecznie pracują przez ostatnie 60 lat. Na bazie srebra powstało szereg unikalnych urządzeń plazmonicznych: źródło promieniowania, czujnik o rekordowej czułości, detektory markerów biologicznych do oznaczania chorób układu krążenia.

Ta sama technologia ma zastosowanie do innych metali stosowanych w biosensoryce i źródłach pojedynczych fotonów. Na przykład w oparciu o epitaksjalne aluminium wykonujemy kubity nadprzewodzące. Nasze rozwiązanie okazało się naprawdę uniwersalne.

Opowiedz nam o roli i znaczeniu nanofotoniki. Dlaczego Rosja musi rozwijać ten kierunek?

- Elektronika rozwija się bardzo dynamicznie przez ostatnie dziesięciolecia. Nośnikami w tych urządzeniach są elektrony. Ale elektron jest z natury ograniczony. Fotonika natomiast daje nam możliwość pracy z innym nośnikiem informacji – fotonem, którym można sterować.

Światło jest najszybsze, jakie mamy. Bardziej doskonałe nośniki są wciąż nieznane ludzkości. Dlatego wszystko, co dotyczy nanofotoniki, uważamy za niezwykle obiecujące. To nowe typy urządzeń obliczeniowych, nowe urządzenia biologiczne, cała gama stosowanych kierunków.

Wspomniałeś już o "laboratorium na chipie". Co to jest, jak można go zastosować, czy już jest stosowany?

- „Laboratorium na chipie” – próba zmiany podstaw pracy w zakresie analiz biomedycznych. Na przykład, aby dziś zrobić badanie krwi, idziemy do laboratorium i pobieramy próbkę. Potem przez jakiś czas - kilka godzin lub kilka dni - czekamy na wynik. Tak więc w „laboratorium na chipie” praca z próbkami jest przenoszona na poziom mikrometrów, do mikroskali. Pozwala to radykalnie przyspieszyć wszystkie procesy.

Będzie można ocenić nasz stan w czasie rzeczywistym. W kieszeniach będziemy nosić jakieś urządzenie, które powie, że wszystko jest w porządku. Lub na przykład, że poziom cholesterolu został przekroczony lub inny ważny wskaźnik.

Jakich gadżetów dana osoba będzie używać w najbliższej przyszłości? Co zastąpi dotychczasowe „inteligentne zegarki”?

- Jeśli wyobrazimy sobie, że powstał komputer kwantowy i urządzenia typu „laboratorium na chipie”, które mają „na pokładzie” urządzenia fotoniczne, z którymi aktywnie pracujemy, to nasze „inteligentne zegarki” można przekształcić w działające centrum danych o mocy większej niż jakikolwiek superkomputer na świecie. A to dopiero początek.

Dlaczego samochody nie latają? Ponieważ nie mamy źródła paliwa, które pozwoliłoby nam utrzymać silniki w pracy przez długi czas. Istnieje odrzutowiec pionowego startu i taki silnik można by włożyć do samochodu. Będzie to jednak wymagało całego zbiornika paliwa.

Komputer kwantowy umożliwi obliczanie substancji o określonych właściwościach i tworzenie nowych źródeł paliwa. Wraz z nadejściem tego, co robimy dzisiaj w centrum, pojawi się wiele nowych technologii, a wszystkie te fantastyczne filmy o Gwiezdnych Wojnach po pewnym czasie zbliżą się do rzeczywistości.