Cilji in cilji ruskega znanstvenega centra s kvantnim računalnikom in biosenzorji

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Pojav kvantnih računalnikov bo človeštvu omogočil ustvarjanje novih vrst goriva in preboj v medicini. To mnenje se strinja tudi direktor znanstvenega centra "Funkcionalni mikro/nanosistemi" na Moskovski državni tehnični univerzi. N. E. Bauman Ilya Rodionov. Po njegovih besedah je ena glavnih nalog laboratorija, ki ga vodi, razvoj naprav za kvantno računalništvo. V intervjuju za RT je znanstvenik spregovoril tudi o razvoju biosenzorjev za diagnosticiranje človekovega stanja v realnem času.

Kako je nastal vaš center, kaj je?

- Center je nastal ne tako dolgo nazaj, pred petimi leti. Ideja o njegovem ustvarjanju temelji na razvoju naprav, ki temeljijo na novih fizikalnih principih. Želeli smo ustvariti tehnologije, ki jih na svetu še ni in ki bodo koristile ljudem.

Pri ustvarjanju centra je sodelovalo 11 vodilnih svetovnih podjetij, kar je omogočilo zagotovitev potrebne infrastrukture in najboljše opreme. Projekt je bil izveden hitro, v samo enem letu. Tri mesece kasneje smo začeli razvijati tehnološke rešitve, na podlagi katerih danes nastajajo vse naprave v centru.

Center temelji na "čisti sobi" - industrijskem prostoru, v katerem se nadzoruje vlažnost, temperatura in količina delcev v zraku. Ti parametri so kritično pomembni, ker delamo z zelo majhnimi strukturami, velikimi približno 10 nanometrov, ki so tisočinke premera človeškega lasu.

Izvajate raziskave o razvoju elementarne baze za naprave nove generacije: od kvantnih računalnikov do bioloških senzorjev. Kaj ti je uspelo?

- Izpostavil bi tri ključna področja, na katerih so naši rezultati dosegli svetovno raven in jo ponekod celo presegli. Center je vodilni tehnološki izvajalec dveh največjih projektov v Rusiji na področju kvantnega računalništva. Vsak od njih razvija lastno elementno bazo: fotonske čipe, ki temeljijo na principih nanofotonike in kubitna vezja na osnovi superprevodnikov.

Vsi vodilni laboratoriji v Rusiji, ki se ukvarjajo s kvantnim računalništvom, uporabljajo naše čipe. Po posameznih parametrih funkcionalni elementi naših naprav kažejo rezultate, ki presegajo svetovno raven.

Drugo področje je biotehnologija. Za ustvarjanje tako imenovanih laboratorijev na čipu je bilo razvitih več tehnologij. To je smer, ki bo pomagala reševati življenja v prihodnosti. Razvijamo prenosne naprave, ki bi lahko v realnem času diagnosticirale stanje osebe in celo izvajale terapevtski učinek.

Tretje najpomembnejše področje je razvoj senzorskih senzorjev in virov sevanja. V zadnjih treh letih smo postavili več svetovnih rekordov naenkrat, ustvarili biološke senzorje z rekordno občutljivostjo na posebej pomembne označevalce. Nekateri od teh senzorjev lahko zaznajo do tri delce snovi na trilijon delcev snovi, v katerih so raztopljeni. Danes na svetu ni takšnih naprav.

Skupaj z ameriškimi partnerji izdelujemo strukture, na katerih nastajajo enofotonski viri. To so naprave, ki se uporabljajo v biologiji, kvantnem računalništvu in komunikacijah.

Kako je organizirano delo z dijaki v centru? Ali dobite vse ali samo najboljše od najboljšega in za določen projekt?

- Najboljši od najboljših pridejo sem, in ne samo z naše univerze. V centru dela več kot 90% študentov in diplomantov Baumanke, pa tudi fantov z Moskovske državne univerze in Phystecha. Odprti smo za študente in diplomante vseh univerz. Mimogrede, pogosto rečem: "Fantje, tukaj nimamo študentov." To pomeni samo eno stvar - vsak, ki pride sem, takoj dela s praktičnimi težavami. Osnova ruske učne metode, po kateri slovi Baumanka, je poučevanje na pravih, »bojnih« nalogah. Vsak študent je naš zaposleni.

Vsakdo ima dostop do opreme in materiala, ali lahko naredi nekaj svojega?

- Posamezni kosi opreme znotraj "čiste sobe" stanejo 2-3 milijone €, zato seveda nimajo vsi dostopa. Preden lahko samostojno delate na takšni opremi, morate iti skozi večstopenjski sistem usposabljanja. Prvi preizkus je izpit iz poznavanja pravil obnašanja in dela znotraj »čistih prostorov«.

Nato gredo fantje skozi več stopenj usposabljanja v tujini – bodisi pri proizvajalcu opreme bodisi v nam prijaznih laboratorijih. Dolgo se učijo - za dostop do posameznih kosov opreme se morate učiti približno eno leto.

Omenili ste, da se čipi, izdelani v vašem centru, uporabljajo v vseh vodilnih ruskih laboratorijih, ki se ukvarjajo s kvantnim računalništvom. Kako bo vaš razvoj pomagal pri ustvarjanju kvantnega računalnika v obliki prave fizične naprave?

- Izdelava kvantnega računalnika je izjemno težka naloga. Razvoj integriranih naprav, procesorskih čipov je le del globalnega kvantnega projekta. Vključuje tudi najbolj zapletene algoritme, izdelavo posebne programske opreme, eksperimentalne kriogene instalacije.

Na reševanju zastavljenih ciljev se trenutno ukvarja številčna ekipa strokovnjakov z različnih univerz in raziskovalnih skupin. Naša naloga je, da našim kolegom zagotovimo visokokakovostno bazo elementov, ki bo služila kot osnova za ruski kvantni računalnik.

Kdaj in kje se bo po vašem mnenju pojavil prvi pravi funkcionalni univerzalni kvantni računalnik? Zakaj je pomemben njen razvoj?

- Težko je napovedati, kje in kdaj bo nastal kvantni računalnik. Strokovnjaki iz vodilnih svetovnih laboratorijev in podjetij imenujejo roke od 5 do 20 let. V centru imamo mlade zaposlene, a smo v svojih napovedih trezni. Tudi 15-20 let je zelo blizu čas. Možnosti, ki jih bo dal kvantni računalnik, so neskončne, popolnoma bodo spremenile življenje človeštva. Začenši od zdravil, medicinske opreme in konča z novo energijo, novimi materiali.

Verjetno je, da bomo končno lahko premagali raka. Veliko področij uporabe zahteva izjemno hitro računanje in simulacijo kvantnih sistemov, kar bo omogočilo izdelavo kvantnega procesorja. To je velik dosežek človeštva, ki bo nedvomno postal resničnost. In upam, da se bo to zgodilo prav tukaj.

Govorili ste o ustvarjanju biosenzorjev in razvoju tehnologije za izdelavo materialov zanje. Ali obstajajo delujoči prototipi, obetavni razvoji, o katerih lahko govorite?

- Naš ponos je nov pristop k ustvarjanju epitaksijskih materialov (materialov s popolno kristalno mrežo. - RT). Prej so bili izdelani z zelo dragimi metodami. Naši ekipi je uspelo razviti relativno poceni tehnologijo, ki smo jo patentirali v Ruski federaciji, zdaj pa izdajamo mednarodni patent.

Naučili smo se izdelati epitaksalno srebro, na katerem znanstveniki po vsem svetu neuspešno delajo zadnjih 60 let. Na osnovi srebra so bile ustvarjene številne edinstvene plazmonske naprave: vir sevanja, senzor z rekordno občutljivostjo, detektorji bioloških markerjev za ugotavljanje srčno-žilnih bolezni.

Ista tehnologija je uporabna za druge kovine, ki se uporabljajo v biosenzoriki in v virih z enim fotonom. Na primer, na osnovi epitaksialnega aluminija izdelujemo superprevodne kubite. Naša rešitev se je izkazala za resnično univerzalno.

Povejte nam o vlogi in pomenu nanofotonike. Zakaj mora Rusija razvijati to smer?

- Elektronika se v zadnjih desetletjih zelo hitro razvija. Nosilci v teh napravah so elektroni. Toda elektron je sam po sebi omejen. Fotonika pa nam daje možnost dela z drugim nosilcem informacij – fotonom, ki ga je mogoče nadzorovati.

Svetloba je najhitrejša, kar imamo. Popolnejši nosilci so človeštvu še neznani. Zato menimo, da je vse, kar je povezano z nanofotoniko, izjemno obetavno. To so nove vrste računalniških naprav, nove biološke naprave, cela vrsta uporabnih smeri.

Omenili ste že "laboratorij na čipu". Kaj je to, kako se lahko uporablja ali se že uporablja?

- "Laboratorij na čipu" - poskus spremembe osnove dela na področju biomedicinskih analiz. Na primer, da bi danes naredili krvni test, gremo v laboratorij in vzamemo vzorec. Nato nekaj časa - nekaj ur ali več dni - čakamo na rezultat. Torej, v "laboratoriju na čipu" se delo z vzorci prenese na nivo mikrometra, na mikroskalo. To vam omogoča, da radikalno pospešite vse procese.

Naše stanje bo mogoče oceniti v realnem času. V žepu bomo nosili kakšno napravo, ki bo rekla, da je vse v redu. Ali, na primer, da je presežena raven holesterola ali drug pomemben kazalnik.

Katere pripomočke bo oseba uporabljala v bližnji prihodnosti? Kaj bo nadomestilo obstoječe "pametne ure"?

- Če si predstavljamo, da je nastal kvantni računalnik in naprave tipa "laboratorij na čipu", ki imajo "na krovu" fotonske naprave, s katerimi aktivno sodelujemo, potem lahko naše "pametne ure" spremenimo v delujoč podatkovni center z močjo, ki je večja od katerega koli superračunalnika na svetu. In to je šele začetek.

Zakaj avtomobili ne letijo? Ker nimamo vira goriva, ki bi nam omogočal, da bi motorji delovali dlje časa. Obstaja navpični vzletni curek in tak motor bi lahko vgradili v avto. Vendar pa bo to zahtevalo celoten rezervoar goriva.

Kvantni računalnik bo omogočil izračun snovi z vnaprej določenimi lastnostmi in ustvarjanje novih virov goriva. S prihodom stvari, ki jih danes počnemo v središču, bo prišlo veliko novih tehnologij in vsi ti fantastični filmi Vojne zvezd bodo čez nekaj časa blizu realnosti.