Кванттық компьютер және биосенсорлары бар ресейлік ғылыми орталықтың мақсаттары мен міндеттері

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Кванттық компьютерлердің пайда болуы адамзатқа отынның жаңа түрлерін жасауға және медицинада серпіліс жасауға мүмкіндік береді. Мәскеу мемлекеттік техникалық университеті жанындағы «Функционалдық микро/наножүйелер» ғылыми орталығының директоры осындай пікірде. Н. Е. Бауман Илья Родионов. Оның айтуынша, ол жетекшілік ететін зертхананың негізгі міндеттерінің бірі – кванттық есептеулерге арналған құрылғыларды жасау. RT арнасына берген сұхбатында ғалым адам жағдайын нақты уақыт режимінде диагностикалауға арналған биосенсорларды жасау туралы да айтты.

– Сіздің орталық қалай құрылды, ол не?

– Орталықтың құрылғанына көп уақыт болған жоқ, бес жыл бұрын. Оны құру идеясы жаңа физикалық принциптерге негізделген құрылғыларды әзірлеуге негізделген. Біз әлемде әлі жоқ, адамдарға пайда әкелетін технологияларды жасағымыз келді.

Орталықты құруға 11 жетекші әлемдік компания тартылды, бұл қажетті инфрақұрылыммен және ең жақсы құрал-жабдықтармен қамтамасыз етуге мүмкіндік берді. Жоба жылдам, небәрі бір жылдың ішінде жүзеге асты. Үш айдан кейін біз технологиялық шешімдерді әзірлеуге кірістік, соның негізінде бүгінде орталықтағы барлық құрылғылар жасалуда.

Орталық «таза бөлме» - ылғалдылық, температура, ауадағы бөлшектердің мөлшері бақыланатын өндірістік бөлмеге негізделген. Бұл параметрлер өте маңызды, өйткені біз өлшемі шамамен 10 нанометр, адам шашының диаметрінің мыңнан бір бөлігін құрайтын өте кішкентай құрылымдармен жұмыс істеп жатырмыз.

– Сіз кванттық компьютерлерден биологиялық сенсорларға дейін жаңа буын құрылғыларының элементтік базасын әзірлеу бойынша зерттеулер жүргізіп жатырсыз. Сіз не істей алдыңыз?

– Біздің нәтижелеріміз әлемдік деңгейге жетіп, кей жерлерде одан асып түскен негізгі үш бағытты атап өтер едім. Орталық Ресейдегі кванттық есептеулер саласындағы екі ірі жобаның жетекші технологиялық мердігері болып табылады. Олардың әрқайсысы өзінің жеке элементтік базасын әзірлейді: нанофотоника принциптеріне негізделген фотоникалық чиптер және асқын өткізгіштерге негізделген кубиттік схемалар.

Ресейдегі кванттық есептеулермен айналысатын жетекші зертханалардың барлығы біздің чиптерді пайдаланады. Жеке параметрлерде біздің құрылғылардың функционалдық элементтері әлемдік деңгейден асатын нәтижелерді көрсетеді.

Екінші бағыт – биотехнология. Чипте зертханалар деп аталатындарды құру үшін бірнеше технологиялар әзірленді. Бұл болашақта адам өмірін сақтап қалуға көмектесетін бағыт. Біз нақты уақытта адамның жағдайын диагностикалауға және тіпті емдік әсерге ие болатын портативті құрылғыларды жасап жатырмыз.

Үшінші маңызды бағыт - сенсорлық сенсорлар мен сәулелену көздерін дамыту. Соңғы үш жылда біз бірден бірнеше әлемдік рекорд орнаттық, ерекше маңызды маркерлерге рекордтық сезімталдығы бар биологиялық сенсорларды жасадық. Осы сенсорлардың кейбіреулері еріген заттың бір триллион бөлшектеріне үш заттың бөлшектерін анықтай алады. Қазір әлемде мұндай құрылғылар жоқ.

Американдық серіктестерімізбен бірге біз бір фотонды көздер жасалатын құрылымдарды шығарамыз. Бұл биологияда, кванттық есептеулерде және коммуникацияда қолданылатын құрылғылар.

– Орталықта оқушылармен жұмыс қалай жолға қойылған? Сіз ең жақсының барлығын немесе тек ең жақсысын және белгілі бір жоба үшін аласыз ба?

– Мұнда тек біздің университеттен ғана емес, ең жақсының үздіктері келеді. Орталықта Бауманка студенттері мен түлектерінің 90%-дан астамы, сондай-ақ Мәскеу мемлекеттік университетінің және Физтехтің жігіттері жұмыс істейді. Біз барлық университеттердің студенттері мен түлектеріне есігіміз. Айтпақшы, мен жиі айтамын: «Балалар, бізде мұнда студенттер жоқ». Бұл бір ғана нәрсені білдіреді – мұнда келгендердің барлығы бірден практикалық есептермен жұмыс істейді. Бауманка атақты орыс оқыту әдісінің негізі нақты, «жауынгерлік» тапсырмалар бойынша оқыту болып табылады. Әрбір студент – біздің қызметкер.

Әркімнің құрал-жабдықтар мен материалдарға қолы бар, олар өз бетінше бірдеңе істей ала ма?

- «Таза бөлме» ішіндегі жеке құрал-жабдықтар 2-3 миллион еуро тұрады. Сондықтан, әрине, барлығына қол жеткізе алмайды. Мұндай жабдықта өз бетінше жұмыс жасамас бұрын, сіз көп сатылы оқыту жүйесінен өтуіңіз керек. Бірінші сынақ – «таза бөлмелер» ішінде өзін-өзі ұстау және жұмыс істеу ережелерін білу бойынша емтихан.

Содан кейін жігіттер шетелде оқудың бірнеше сатысынан өтеді – не жабдық өндірушісінен, не бізге қолайлы зертханаларда. Олар ұзақ уақыт оқиды - жабдықтың жеке бөліктеріне қол жеткізу үшін шамамен бір жыл оқу керек.

– Сіздің орталықта жасалған чиптер кванттық есептеулермен айналысатын ресейлік жетекші зертханалардың барлығында қолданылатынын айттыңыз. Сіздің әзірлемелеріңіз нақты физикалық құрылғы түріндегі кванттық компьютерді жасауға қалай көмектеседі?

- Кванттық компьютерді құрастыру өте қиын жұмыс. Біріктірілген құрылғылардың, процессорлық чиптердің дамуы жаһандық кванттық жобаның бір бөлігі ғана. Ол сондай-ақ ең күрделі алгоритмдерді, арнайы бағдарламалық қамтамасыз етуді құруды, тәжірибелік криогендік қондырғыларды қамтиды.

Қазіргі уақытта әртүрлі университеттер мен ғылыми топтардың кәсіби мамандарының үлкен тобы алға қойылған мақсаттарды шешумен айналысуда. Біздің міндетіміз – әріптестерімізді ресейлік кванттық компьютерге негіз болатын жоғары сапалы элементтік базамен қамтамасыз ету.

Бірінші нақты функционалды әмбебап кванттық компьютер қашан және қай жерде пайда болады деп ойлайсыз? Оның дамуы неліктен маңызды?

– Кванттық компьютердің қай жерде және қашан құрылатынын болжау қиын. Әлемнің жетекші зертханалары мен кәсіпорындарының мамандары 5 жылдан 20 жылға дейінгі мерзімдерді атайды. Бізде орталықта жас қызметкерлер бар, бірақ біз өз болжамдарымызда байсалдымыз. Тіпті 15-20 жыл өте жақын уақыт. Кванттық компьютердің беретін мүмкіндіктері шексіз, олар адамзат өмірін толығымен өзгертеді. Дәрілерден, медициналық құрал-жабдықтардан бастап, жаңа энергиямен, жаңа материалдармен аяқталады.

Біз қатерлі ісік ауруын жеңе алатынымызға сенімдіміз. Қолдану аймақтарының үлкен саны ультра жылдам есептеуді және кванттық жүйелерді модельдеуді қажет етеді, бұл кванттық процессорды жасауға мүмкіндік береді. Бұл сөзсіз шындыққа айналатын адамзаттың ұлы жетістігі. Және бұл дәл осы жерде болады деп үміттенемін.

– Сіз биосенсорларды жасау және оларға материалдар жасау технологиясын дамыту туралы айттыңыз. Сіз айтуға болатын жұмыс прототиптері, перспективалық әзірлемелер бар ма?

– Біздің мақтанышымыз – эпитаксиалды материалдарды (мінсіз кристалдық торы бар материалдар. – RT) жасауға жаңа көзқарас. Бұрын олар өте қымбат әдістермен жасалған. Біздің команда салыстырмалы түрде арзан технологияны әзірлей алды, біз оны Ресей Федерациясында патенттеміз, қазір біз халықаралық патент берудеміз.

Біз бүкіл әлем ғалымдары соңғы 60 жыл бойы сәтсіз жұмыс істеп келе жатқан эпитаксиалды күмісті қалай жасау керектігін білдік. Күміс негізінде бірқатар бірегей плазмоникалық құрылғылар жасалды: сәулелену көзі, рекордтық сезімталдығы бар сенсор, жүрек-қан тамырлары ауруларын анықтауға арналған биологиялық маркерлердің детекторлары.

Дәл осындай технология биосенсориктер мен бір фотонды көздерде қолданылатын басқа металдарға да қатысты. Мысалы, эпитаксиалды алюминий негізінде біз асқын өткізгіш кубиттер жасаймыз. Біздің шешіміміз шынымен әмбебап болып шықты.

Нанофотониканың рөлі мен маңызы туралы айтыңыз. Неліктен Ресейге бұл бағытты дамыту керек?

– Соңғы онжылдықтарда электроника өте қарқынды дамып келеді. Бұл құрылғылардағы тасымалдаушылар электрондар болып табылады. Бірақ электрон табиғи түрде шектелген. Фотоника, керісінше, басқа ақпарат тасымалдаушымен - басқарылатын фотонмен жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Жарық - біздегі ең жылдам. Одан да кемелді тасымалдаушылар адамзатқа әлі белгісіз. Сондықтан біз нанофотоникаға қатысты барлық нәрсені өте перспективалы деп санаймыз. Бұл есептеу құрылғыларының жаңа түрлері, жаңа биологиялық құрылғылар, қолданбалы бағыттардың тұтас кешені.

– Сіз «чиптегі зертхана» туралы айтып өттіңіз. Бұл не, оны қалай қолдануға болады немесе ол қазірдің өзінде қолданылып жатыр ма?

- «Чиптегі зертхана» - биомедициналық талдаулар саласындағы жұмыстың негізін өзгерту әрекеті. Мысалы, бүгін қан анализін алу үшін зертханаға барып, сынама аламыз. Содан кейін біраз уақыт - бірнеше сағат немесе бірнеше күн - нәтижені күтеміз. Сонымен, «чиптегі зертханада» үлгілермен жұмыс микрометр деңгейіне, микрошкалаға ауыстырылады. Бұл барлық процестерді түбегейлі жылдамдатуға мүмкіндік береді.

Біздің жағдайымызды нақты уақыт режимінде бағалауға болады. Біз қалтамызда бәрі жақсы деп айтатын қандай да бір құрылғыны алып жүреміз. Немесе, мысалы, холестерин деңгейінің асып кетуі немесе басқа маңызды көрсеткіш.

Жақын арада адам қандай гаджеттерді пайдаланады? Қолданыстағы «ақылды сағаттардың» орнын не басады?

- Егер біз белсенді жұмыс істеп жатқан «борттағы» фотоникалық құрылғылары бар кванттық компьютер мен «чиптегі зертхана» типті құрылғылар жасалды деп елестетсек, онда біздің «ақылды сағаттарымызды» басқаларға айналдыруға болады. Қазіргі уақытта жер бетіндегі кез келген суперкомпьютерден жоғары қуатпен жұмыс істейтін деректер орталығы. Ал бұл бастамасы ғана.

Неліктен көліктер ұшпайды? Өйткені бізде қозғалтқыштарды ұзақ уақыт жұмыс істеуге мүмкіндік беретін отын көзі жоқ. Тік ұшатын ұшағы бар және мұндай қозғалтқышты автомобильге салуға болады. Дегенмен, бұл отынның толық багын қажет етеді.

Кванттық компьютер алдын ала анықталған қасиеттері бар заттарды есептеуге және отынның жаңа көздерін жасауға мүмкіндік береді. Бүгін біз орталықта істеп жатқан нәрселердің пайда болуымен көптеген жаңа технологиялар пайда болады және осы фантастикалық «Жұлдызды соғыстар» фильмдерінің барлығы біраз уақыттан кейін шындыққа жақын болады.