Rusijos mokslo centro su kvantiniu kompiuteriu ir biojutikliais tikslai ir uždaviniai

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Kvantinių kompiuterių atsiradimas leis žmonijai sukurti naujas kuro rūšis ir padaryti proveržį medicinoje. Šiai nuomonei pritaria Maskvos valstybinio technikos universiteto Mokslo centro „Funkcinės mikro/nanosistemos“direktorius. N. E. Baumanas Ilja Rodionovas. Pasak jo, vienas pagrindinių jo vadovaujamos laboratorijos uždavinių – kvantinio skaičiavimo prietaisų kūrimas. Interviu RT mokslininkas kalbėjo ir apie biosensorių, skirtų žmogaus būsenai diagnozuoti realiu laiku, kūrimą.

– Kaip susikūrė jūsų centras, koks jis?

– Centras buvo sukurtas ne taip seniai, prieš penkerius metus. Jo sukūrimo idėja pagrįsta prietaisų, pagrįstų naujais fiziniais principais, kūrimu. Norėjome sukurti technologijas, kurių pasaulyje dar nėra ir kurios bus naudingos žmonėms.

Centro kūrime dalyvavo 11 pirmaujančių pasaulio kompanijų, kurios leido užtikrinti reikiamą infrastruktūrą ir geriausią įrangą. Projektas buvo įgyvendintas greitai, vos per vienerius metus. Po trijų mėnesių pradėjome kurti technologinius sprendimus, kurių pagrindu šiandien kuriami visi centre esantys įrenginiai.

Centras pagrįstas „švaria patalpa“– pramonine patalpa, kurioje kontroliuojama drėgmė, temperatūra, dalelių kiekis ore. Šie parametrai yra labai svarbūs, nes dirbame su labai mažomis struktūromis, maždaug 10 nanometrų dydžio, kurios yra tūkstantosios žmogaus plauko skersmens.

– Atliekate naujos kartos įrenginių elementų bazės kūrimo tyrimus: nuo kvantinių kompiuterių iki biologinių jutiklių. Ką pavyko padaryti?

– Išskirčiau tris kertines sritis, kuriose mūsų rezultatai pasiekė pasaulinį lygį, o kai kur jį net viršijo. Centras yra pirmaujantis technologinis rangovas dviem didžiausiems projektams Rusijoje kvantinės kompiuterijos srityje. Kiekvienas iš jų kuria savo elementų bazę: nanofotonikos principais pagrįstus fotoninius lustus ir superlaidininkų pagrindu sukurtas kubitines grandines.

Visos pirmaujančios Rusijos laboratorijos, užsiimančios kvantiniu skaičiavimu, naudoja mūsų lustus. Atskirais parametrais mūsų įrenginių funkciniai elementai demonstruoja pasaulinį lygį viršijančius rezultatus.

Antroji sritis – biotechnologijos. Buvo sukurtos kelios technologijos, skirtos vadinamosioms laboratorijoms kurti mikroschemoje. Tai kryptis, kuri padės išgelbėti gyvybes ateityje. Kuriame nešiojamus prietaisus, kurie realiu laiku galėtų diagnozuoti žmogaus būklę ir net atlikti gydomąjį poveikį.

Trečia pagal svarbą sritis – jutiklių jutiklių ir spinduliuotės šaltinių kūrimas. Per pastaruosius trejus metus iš karto pasiekėme kelis pasaulio rekordus, sukūrėme rekordinio jautrumo ypač svarbiems žymenims biologinius jutiklius. Kai kurie iš šių jutiklių gali aptikti iki trijų medžiagos dalelių trilijonui medžiagos dalelių, kuriose jie yra ištirpę. Šiandien pasaulyje tokių įrenginių nėra.

Kartu su Amerikos partneriais gaminame konstrukcijas, ant kurių sukuriami vieno fotono šaltiniai. Tai įrenginiai, naudojami biologijoje, kvantiniame skaičiavime ir komunikacijose.

– Kaip centre organizuojamas darbas su studentais? Ar gaunate viską, ar tik geriausius iš geriausių ir konkrečiam projektui?

– Čia patenka geriausi iš geriausių, ir ne tik iš mūsų universiteto. Centre dirba daugiau nei 90% Baumankos studentų ir absolventų, taip pat vaikinai iš Maskvos valstybinio universiteto ir Phystech. Esame atviri visų universitetų studentams ir absolventams. Beje, aš dažnai sakau: „Vaikinai, pas mus nėra studentų“. Tai reiškia tik viena – kiekvienas čia patekęs iškart dirba su praktinėmis problemomis. Rusiško mokymo metodo, kuriuo garsėja Baumanka, pagrindas yra mokymas realiomis, „kovinėmis“užduotimis. Kiekvienas studentas yra mūsų darbuotojas.

– Kiekvienas turi prieigą prie įrangos ir medžiagų, ar gali ką nors padaryti savo?

- Atskira įranga „švarioje patalpoje“kainuoja 2-3 milijonus eurų, todėl, žinoma, ne visi turi prieigą. Prieš pradėdami savarankiškai dirbti su tokia įranga, turite pereiti kelių etapų mokymo sistemą. Pirmasis testas – elgesio ir darbo „švariose patalpose“taisyklių išmanymo egzaminas.

Tada vaikinai praeina kelis mokymų etapus užsienyje – arba pas įrangos gamintoją, arba mums draugiškose laboratorijose. Jie mokosi ilgai – norint gauti atskirą įrangą, reikia mokytis apie metus.

– Minėjote, kad jūsų centre pagaminti lustai naudojami visose pirmaujančiose Rusijos laboratorijose, užsiimančiose kvantine kompiuterija. Kaip jūsų plėtra padės sukurti kvantinį kompiuterį tikro fizinio įrenginio pavidalu?

– Sukurti kvantinį kompiuterį – be galo sunki užduotis. Integruotų įrenginių, procesorių lustų kūrimas yra tik dalis pasaulinio kvantinio projekto. Tai taip pat apima sudėtingiausius algoritmus, specialios programinės įrangos kūrimą, eksperimentinius kriogeninius įrenginius.

Sprendžiant užsibrėžtus tikslus šiuo metu dirba gausus būrys profesionalų iš įvairių universitetų ir mokslo grupių. Mūsų užduotis – aprūpinti kolegas kokybiška elementų baze, kuri bus rusiško kvantinio kompiuterio pagrindas.

– Kaip manote, kada ir kur pasirodys pirmasis tikras funkcinis universalus kvantinis kompiuteris? Kodėl jo plėtra yra svarbi?

– Sunku nuspėti, kur ir kada bus sukurtas kvantinis kompiuteris. Pasaulyje pirmaujančių laboratorijų ir įmonių ekspertai terminus vadina nuo 5 iki 20 metų. Centre turime jaunų darbuotojų, bet prognozuojame blaivūs. Net 15-20 metų yra labai artimas laikas. Galimybių, kurias suteiks kvantinis kompiuteris, yra begalės, jos visiškai pakeis žmonijos gyvenimą. Pradedant nuo vaistų, medicininės įrangos ir baigiant nauja energija, naujomis medžiagomis.

Didelė tikimybė, kad pagaliau pavyks nugalėti vėžį. Daugeliui taikymo sričių reikia itin greito skaičiavimo ir kvantinių sistemų modeliavimo, todėl bus galima pagaminti kvantinį procesorių. Tai didelis žmonijos pasiekimas, kuris neabejotinai taps realybe. Ir tikiuosi, kad tai įvyks būtent čia.

– Kalbėjote apie biojutiklių kūrimą ir medžiagų jiems kurti technologijų kūrimą. Ar yra veikiančių prototipų, perspektyvių pokyčių, apie kuriuos galite kalbėti?

– Mūsų pasididžiavimas – naujas požiūris į epitaksinių medžiagų kūrimą (medžiagos su tobula kristaline gardele. – RT). Anksčiau jie buvo gaminami naudojant labai brangius metodus. Mūsų komandai pavyko sukurti palyginti pigią technologiją, kurią užpatentavome Rusijos Federacijoje, o dabar išduodame tarptautinį patentą.

Sužinojome, kaip sukurti epitaksinį sidabrą, su kuriuo mokslininkai visame pasaulyje nesėkmingai dirbo pastaruosius 60 metų. Sidabro pagrindu sukurta nemažai unikalių plazmoninių prietaisų: spinduliuotės šaltinis, rekordinio jautrumo jutiklis, biologinių žymenų detektoriai širdies ir kraujagyslių ligoms nustatyti.

Ta pati technologija taikoma ir kitiems metalams, naudojamiems biosensorikoje ir vieno fotono šaltiniuose. Pavyzdžiui, epitaksinio aliuminio pagrindu gaminame superlaidžius kubitus. Mūsų sprendimas pasirodė tikrai universalus.

– Papasakokite apie nanofotonikos vaidmenį ir reikšmę. Kodėl Rusijai reikia plėtoti šią kryptį?

– Elektronika per pastaruosius dešimtmečius vystėsi labai sparčiai. Nešėjai šiuose įrenginiuose yra elektronai. Tačiau elektronas iš prigimties yra ribotas. Kita vertus, fotonika mums suteikia galimybę dirbti su kitu informacijos nešikliu – fotonu, kurį galima valdyti.

Šviesa yra greičiausia, ką turime. Tobulesni nešiotojai žmonijai dar nežinomi. Todėl viską, kas susiję su nanofotonika, laikome itin perspektyvia. Tai nauji skaičiavimo prietaisų tipai, nauji biologiniai įrenginiai, visa eilė taikomų krypčių.

– Jau minėjote apie „laboratoriją ant lusto“. Kas tai yra, kaip jį galima pritaikyti ar jau taikoma?

- "Laboratorija ant lusto" - bandymas pakeisti darbo biomedicininės analizės srityje pagrindą. Pavyzdžiui, norėdami šiandien pasidaryti kraujo tyrimą, einame į laboratoriją ir paimame mėginį. Tada kurį laiką – kelias valandas ar kelias dienas – laukiame rezultato. Taigi „laboratorijoje ant lusto“darbas su mėginiais perkeliamas į mikrometro lygį, į mikroskalę. Tai leidžia radikaliai paspartinti visus procesus.

Mūsų būklę bus galima įvertinti realiu laiku. Nešiosimės kišenėse kažkokį prietaisą, kuris sakys, kad viskas gerai. Arba, pavyzdžiui, kad viršytas cholesterolio lygis ar kitas svarbus rodiklis.

– Kokias programėles žmogus naudos artimiausiu metu? Kas pakeis esamus „išmaniuosius laikrodžius“?

- Jeigu įsivaizduotume, kad yra sukurtas kvantinis kompiuteris ir „laboratorija ant lusto“tipo įrenginiai, turintys „on board“fotonikos įrenginius, su kuriais aktyviai dirbame, tai mūsų „išmanieji laikrodžiai“gali būti paversti veikiantis duomenų centras, kurio galia didesnė nei bet kurio dabar esančio superkompiuterio žemėje. Ir tai tik pradžia.

Kodėl automobiliai neskraido? Nes neturime kuro šaltinio, kuris leistų ilgai palaikyti variklius. Egzistuoja vertikalaus kilimo srove, ir tokį variklį būtų galima įdėti į automobilį. Tačiau tam reikės viso kuro bako.

Kvantinis kompiuteris leis apskaičiuoti medžiagas su iš anksto nustatytomis savybėmis ir sukurti naujus kuro šaltinius. Atsiradus dalykams, kuriuos šiandien darome centre, atsiras daug naujų technologijų ir visi šie fantastiški „Žvaigždžių karų“filmai po kurio laiko taps artimi realybei.