Cíle a cíle ruského vědeckého centra s kvantovým počítačem a biosenzory

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Nástup kvantových počítačů umožní lidstvu vytvořit nové druhy paliva a učinit průlom v medicíně. Tento názor sdílí i ředitel vědeckého centra „Funkční mikro/nanosystémy“Moskevské státní technické univerzity. N. E. Bauman Ilja Rodionov. Jedním z hlavních úkolů jím vedené laboratoře je podle něj vývoj zařízení pro kvantové výpočty. V rozhovoru pro RT mluvil vědec také o vývoji biosenzorů pro diagnostiku lidského stavu v reálném čase.

Jak vzniklo vaše centrum, co to je?

- Centrum vzniklo ne tak dávno, před pěti lety. Myšlenka jeho vytvoření je založena na vývoji zařízení založených na nových fyzikálních principech. Chtěli jsme vytvořit technologie, které ve světě ještě neexistují a které budou přínosem pro lidi.

Na vzniku centra se podílelo 11 předních světových společností, které umožnilo zajistit potřebnou infrastrukturu a nejlepší vybavení. Projekt byl realizován rychle, za pouhý rok. O tři měsíce později jsme začali vyvíjet technologická řešení, na jejichž základě dnes vznikají všechna zařízení v centru.

Centrum je založeno na "čisté místnosti" - průmyslové místnosti, ve které se kontroluje vlhkost, teplota a množství částic ve vzduchu. Tyto parametry jsou kriticky důležité, protože pracujeme s velmi malými strukturami o velikosti asi 10 nanometrů, což jsou tisíciny průměru lidského vlasu.

Provádíte výzkum vývoje základny prvků pro zařízení nové generace: od kvantových počítačů po biologické senzory. co se ti povedlo?

- Vyzdvihl bych tři klíčové oblasti, ve kterých naše výsledky dosáhly světové úrovně a místy ji i přesáhly. Centrum je předním technologickým dodavatelem dvou největších projektů v Rusku v oblasti kvantových počítačů. Každý z nich vyvíjí vlastní elementární základnu: fotonické čipy na principech nanofotoniky a qubitové obvody založené na supravodičích.

Naše čipy používají všechny přední laboratoře v Rusku zabývající se kvantovými výpočty. Funkční prvky našich zařízení v jednotlivých parametrech vykazují výsledky přesahující světovou úroveň.

Druhou oblastí jsou biotechnologie. Bylo vyvinuto několik technologií pro vytváření tzv. laboratoří na čipu. Toto je směr, který v budoucnu pomůže zachraňovat životy. Vyvíjíme přenosná zařízení, která by mohla diagnostikovat stav člověka v reálném čase a dokonce provádět terapeutický účinek.

Třetí nejdůležitější oblastí je vývoj senzorových senzorů a zdrojů záření. Za poslední tři roky jsme vytvořili několik světových rekordů najednou, vytvořili biologické senzory s rekordní citlivostí na zvláště důležité markery. Některé z těchto senzorů dokážou detekovat až tři částice hmoty na bilion částic hmoty, ve kterých jsou rozpuštěny. V dnešním světě žádná taková zařízení neexistují.

Společně s našimi americkými partnery vyrábíme struktury, na kterých vznikají jednofotonové zdroje. Jedná se o zařízení, která se používají v biologii, kvantových výpočtech a komunikacích.

Jak je v centru organizována práce se studenty? Dostáváte všechno nebo jen to nejlepší z nejlepšího a pro konkrétní projekt?

- Dostanou se sem ti nejlepší z nejlepších, a to nejen z naší univerzity. V centru pracuje více než 90 % studentů a absolventů Baumanky, stejně jako kluci z Moskevské státní univerzity a Phystech. Jsme otevřeni studentům a absolventům všech vysokých škol. Mimochodem, často říkám: "Kluci, nemáme tady žádné studenty." To znamená jediné – každý, kdo se sem dostane, hned pracuje s praktickými problémy. Základem ruské vyučovací metody, kterou je Baumanka proslulá, je výuka na skutečných, „bojových“úkolech. Každý student je naším zaměstnancem.

Každý má přístup k vybavení a materiálům, může dělat něco vlastního?

- Jednotlivé kusy vybavení uvnitř "čisté místnosti" stojí 2-3 miliony €. Proto samozřejmě ne každý má přístup. Než budete moci samostatně pracovat na takovém zařízení, musíte projít vícestupňovým tréninkovým systémem. První test je zkouška ze znalosti pravidel chování a práce v "čistých prostorách".

Pak kluci procházejí několika fázemi školení v zahraničí - buď od výrobce zařízení, nebo v laboratořích, které jsou k nám přátelské. Studují dlouho – pro získání přístupu k jednotlivým částem vybavení je potřeba studovat zhruba rok.

Zmínil jste, že čipy vyrobené ve vašem centru se používají ve všech předních ruských laboratořích zabývajících se kvantovým počítáním. Jak váš vývoj pomůže při vytváření kvantového počítače ve formě skutečného fyzického zařízení?

- Sestavit kvantový počítač je nesmírně obtížný úkol. Vývoj integrovaných zařízení, procesorových čipů je pouze součástí globálního kvantového projektu. Zahrnuje také nejsložitější algoritmy, tvorbu speciálního softwaru, experimentální kryogenní instalace.

Na řešení stanovených cílů v současnosti pracuje početný tým profesionálů z různých univerzit a výzkumných skupin. Naším úkolem je poskytnout kolegům kvalitní základnu prvků, která poslouží jako základ pro ruský kvantový počítač.

Kdy a kde se podle vás objeví první skutečný funkční univerzální kvantový počítač? Proč je jeho vývoj důležitý?

- Je těžké předvídat, kde a kdy vznikne kvantový počítač. Odborníci z předních světových laboratoří a podniků nazývají termíny od 5 do 20 let. V centru máme mladé zaměstnance, ale v prognózách jsme střízliví. I 15-20 let je velmi blízko. Možnosti, které kvantový počítač dá, jsou nekonečné, zcela změní život lidstva. Počínaje léky, lékařským vybavením a konče novou energií, novými materiály.

Je pravděpodobné, že konečně budeme schopni porazit rakovinu. Velké množství aplikačních oblastí vyžaduje ultrarychlé výpočty a simulace kvantových systémů, které umožní vyrobit kvantový procesor. To je velký úspěch lidstva, který se nepochybně stane skutečností. A doufám, že se to stane právě tady.

Hovořil jste o vytvoření biosenzorů a vývoji technologie pro vytváření materiálů pro ně. Existují funkční prototypy, slibný vývoj, o kterých můžete mluvit?

- Naší chloubou je nový přístup k tvorbě epitaxních materiálů (materiály s dokonalou krystalovou mřížkou. - RT). Dříve se vyráběly velmi drahými metodami. Našemu týmu se podařilo vyvinout poměrně levnou technologii, kterou jsme si patentovali v Ruské federaci a nyní udělujeme mezinárodní patent.

Naučili jsme se, jak vytvořit epitaxní stříbro, na kterém vědci po celém světě neúspěšně pracovali posledních 60 let. Na bázi stříbra byla vytvořena řada unikátních plasmonických zařízení: zdroj záření, senzor s rekordní citlivostí, detektory biologických markerů pro stanovení kardiovaskulárních onemocnění.

Stejná technologie je použitelná pro další kovy používané v biosenzorice a v jednofotonových zdrojích. Například na základě epitaxního hliníku vyrábíme supravodivé qubity. Naše řešení se ukázalo jako skutečně univerzální.

Řekněte nám o roli a významu nanofotoniky. Proč Rusko potřebuje rozvíjet tento směr?

- Elektronika se v posledních desetiletích velmi rychle rozvíjela. Nosiče v těchto zařízeních jsou elektrony. Ale elektron je ze své podstaty omezený. Fotonika nám naproti tomu dává možnost pracovat s jiným informačním nosičem – fotonem, který lze ovládat.

Světlo je to nejrychlejší, co máme. Dokonalejší nosiče zatím lidstvo nezná. Vše, co souvisí s nanofotonikou, proto považujeme za mimořádně nadějné. Jde o nové typy výpočetních zařízení, nové biologické přístroje, celou řadu aplikovaných směrů.

Už jste zmínil "laboratoř na čip". Co to je, jak se to dá aplikovat nebo se to už aplikuje?

- „Laboratoř na čipu“- pokus o změnu základů práce v oblasti biomedicínských analýz. Abychom si dnes například nechali udělat krevní test, jdeme do laboratoře a odebereme vzorek. Poté nějakou dobu - několik hodin nebo několik dní - čekáme na výsledek. Takže v „laboratoři na čipu“se práce se vzorky přenese na mikrometrovou úroveň, na mikroměřítko. To vám umožní radikálně urychlit všechny procesy.

Náš stav bude možné hodnotit v reálném čase. Budeme nosit v kapsách nějaké zařízení, které bude říkat, že je vše v pořádku. Nebo například, že je překročena hladina cholesterolu či jiný důležitý ukazatel.

Jaké gadgety bude člověk používat v blízké budoucnosti? Co nahradí stávající „chytré hodinky“?

- Pokud si představíme, že vznikl kvantový počítač a zařízení typu „laboratoř na čipu“, která mají „na palubě“fotonická zařízení, se kterými aktivně pracujeme, pak se naše „chytré hodinky“dají proměnit v fungující datové centrum s výkonem větším než kterýkoli superpočítač na světě nyní. A to je jen začátek.

Proč auta nelétají? Protože nemáme zdroj paliva, který by nám umožnil udržet motory v chodu po dlouhou dobu. Existuje proud s vertikálním vzletem a takový motor by se dal dát do auta. To však bude vyžadovat celou nádrž paliva.

Kvantový počítač umožní vypočítat látky s předem určenými vlastnostmi a vytvořit nové zdroje paliva. S příchodem věcí, které dnes děláme v centru, přijde spousta nových technologií a všechny tyto fantastické filmy Star Wars se po nějaké době přiblíží realitě.