מטרות ויעדים של המרכז המדעי הרוסי עם מחשב קוונטי וחיישנים ביולוגיים

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

הופעת המחשבים הקוונטים תאפשר לאנושות ליצור סוגים חדשים של דלק ולעשות פריצת דרך ברפואה. דעה זו משותפת למנהל המרכז המדעי "מיקרו / ננו פונקציונלי" באוניברסיטה הטכנית של מוסקבה. נ.ע. באומן איליה רודיונוב. לדבריו, אחת המשימות המרכזיות של המעבדה בראשותו היא פיתוח מכשירים למחשוב קוונטי. בראיון ל-RT, המדען דיבר גם על פיתוח חיישנים ביו לאבחון מצב אנושי בזמן אמת.

איך נוצר המרכז שלך, מה זה?

- המרכז נוצר לא כל כך מזמן, לפני חמש שנים. הרעיון ליצירתו מבוסס על פיתוח מכשירים המבוססים על עקרונות פיזיים חדשים. רצינו ליצור טכנולוגיות שעדיין לא קיימות בעולם ושייטיבו עם אנשים.

11 חברות מובילות בעולם היו מעורבות בהקמת המרכז, מה שאיפשר לספק את התשתית הדרושה ואת מיטב הציוד. הפרויקט יצא לפועל במהירות, תוך שנה אחת בלבד. שלושה חודשים לאחר מכן התחלנו לפתח פתרונות טכנולוגיים שעל בסיסם נוצרים היום כל המכשירים במרכז.

המרכז מבוסס על "חדר נקי" - חדר תעשייתי בו נשלטות הלחות, הטמפרטורה וכמות החלקיקים באוויר. פרמטרים אלו חשובים ביותר מכיוון שאנו עובדים עם מבנים קטנים מאוד, בגודל של כ-10 ננומטר, שהם אלפיות מקוטר של שערה אנושית.

אתה עורך מחקר על פיתוח בסיס האלמנטים למכשירים מדור חדש: ממחשבים קוונטיים ועד חיישנים ביולוגיים. מה הצלחת לעשות?

- הייתי מייחד שלושה תחומים מרכזיים שבהם התוצאות שלנו הגיעו לרמה העולמית ובמקומות מסוימים אף חרגו ממנה. המרכז הוא הקבלן הטכנולוגי המוביל לשניים מהפרויקטים הגדולים ברוסיה בתחום המחשוב הקוונטי. כל אחד מהם מפתח בסיס אלמנטים משלו: שבבים פוטונים המבוססים על עקרונות הננופוטוניקה ומעגלי קיוביט המבוססים על מוליכים.

כל המעבדות המובילות ברוסיה העוסקות במחשוב קוונטי משתמשות בשבבים שלנו. בפרמטרים בודדים, האלמנטים הפונקציונליים של המכשירים שלנו מדגימים תוצאות העולות על הרמה העולמית.

התחום השני הוא ביוטכנולוגיה. פותחו מספר טכנולוגיות ליצירת מה שנקרא מעבדות על שבב. זה הכיוון שיעזור להציל חיים בעתיד. אנו מפתחים מכשירים ניידים שיכולים לאבחן את מצבו של אדם בזמן אמת ואף לבצע אפקט טיפולי.

התחום השלישי בחשיבותו הוא פיתוח חיישני חיישנים ומקורות קרינה. במהלך שלוש השנים האחרונות, קבענו מספר שיאי עולם בבת אחת, יצרנו חיישנים ביולוגיים בעלי רגישות שיא לסמנים חשובים במיוחד. חלק מהחיישנים הללו יכולים לזהות עד שלושה חלקיקי חומר לכל טריליון חלקיקי חומר שבהם הם מומסים. היום אין מכשירים כאלה בעולם.

יחד עם השותפים האמריקאים שלנו, אנו מייצרים מבנים שעליהם נוצרים מקורות פוטון בודדים. אלו הם מכשירים המשמשים בביולוגיה, מחשוב קוונטי ותקשורת.

איך מאורגנת העבודה עם התלמידים במרכז? האם אתה מקבל את כל או רק את הטוב שבטוב ובעבור פרויקט ספציפי?

- הטובים שבטובים מגיעים לכאן, ולא רק מהאוניברסיטה שלנו. יותר מ-90% מהסטודנטים והבוגרים של באומנקה, כמו גם בחורים מאוניברסיטת מוסקבה ומפיסטק, עובדים במרכז. אנו פתוחים לסטודנטים ובוגרי כל האוניברסיטאות. אגב, אני אומר לא פעם: "חבר'ה, אין לנו פה סטודנטים". זה אומר רק דבר אחד - כל מי שמגיע לכאן מיד עובד עם בעיות מעשיות. הבסיס של שיטת הלימוד הרוסית, שבה מפורסמת באומנקה, הוא לימוד על משימות אמיתיות, "קרביות". כל תלמיד הוא העובד שלנו.

לכל אחד יש גישה לציוד וחומרים, האם הם יכולים לעשות משהו משלו?

- חלקי ציוד בודדים בתוך "החדר הנקי" עולים 2-3 מיליון אירו, לכן, כמובן, לא לכולם יש גישה. לפני שתוכל לעבוד באופן עצמאי על ציוד כזה, עליך לעבור מערכת אימון רב-שלבית. המבחן הראשון הוא בחינת הכרת כללי ההתנהגות והעבודה בתוך "החדרים הנקיים".

אחר כך החבר'ה עוברים כמה שלבי הכשרה בחו ל - מיצרן ציוד או במעבדות ידידותיות אלינו. הם לומדים זמן רב - כדי לקבל גישה לציוד בודד, אתה צריך ללמוד במשך כשנה.

הזכרת שהשבבים המיוצרים במרכז שלך משמשים בכל המעבדות הרוסיות המובילות העוסקות במחשוב קוונטי. כיצד יעזרו הפיתוחים שלך ביצירת מחשב קוונטי בצורה של מכשיר פיזי אמיתי?

- בניית מחשב קוונטי היא משימה קשה ביותר. הפיתוח של התקנים משולבים, שבבי מעבד הוא רק חלק מהפרויקט הקוונטי העולמי. זה כולל גם את האלגוריתמים המורכבים ביותר, יצירת תוכנות מיוחדות, התקנות קריוגניות ניסיוניות.

צוות גדול של אנשי מקצוע מאוניברסיטאות וקבוצות מחקר שונות עובד בימים אלה על פתרון המטרות שנקבעו. המשימה שלנו היא לספק לעמיתינו בסיס אלמנטים איכותי, שישמש בסיס למחשב קוונטי רוסי.

מתי ואיפה לדעתך יופיע המחשב הקוונטי האוניברסלי הפונקציונלי האמיתי הראשון? למה הפיתוח שלו חשוב?

- קשה לחזות היכן ומתי יווצר מחשב קוונטי. מומחים מהמעבדות והמפעלים המובילים בעולם קוראים למונחים מ-5 עד 20 שנים. יש לנו עובדים צעירים במרכז, אבל אנחנו מפוכחים בתחזיות שלנו. אפילו 15-20 שנה זה זמן קרוב מאוד. האפשרויות שמחשב קוונטי ייתן הן אינסופיות, הן ישנו לחלוטין את חיי האנושות. החל מתרופות, מכשור רפואי וכלה באנרגיה חדשה, חומרים חדשים.

רוב הסיכויים שסוף סוף נצליח לנצח את הסרטן. מספר רב של תחומי יישום דורשים מחשוב מהיר במיוחד וסימולציה של מערכות קוונטיות, מה שיאפשר לייצר מעבד קוונטי. זהו הישג גדול של האנושות, שללא ספק יהפוך למציאות. ואני מקווה שזה יקרה כאן.

דיברת על יצירת חיישנים ביולוגיים ופיתוח טכנולוגיה ליצירת חומרים עבורם. האם יש אבות טיפוס עובדים, פיתוחים מבטיחים שאפשר לדבר עליהם?

- הגאווה שלנו היא גישה חדשה ליצירת חומרים אפיטקסיאליים (חומרים עם סריג קריסטל מושלם. - RT). בעבר, הם יוצרו בשיטות יקרות מאוד. הצוות שלנו הצליח לפתח טכנולוגיה זולה יחסית, עליה רשמנו פטנט בפדרציה הרוסית, ועכשיו אנחנו מוציאים פטנט בינלאומי.

למדנו כיצד ליצור כסף אפיטקסיאלי, עליו עובדים מדענים ברחבי העולם ללא הצלחה במשך 60 השנים האחרונות. על בסיס כסף נוצרו מספר מכשירים פלסמוניים ייחודיים: מקור קרינה, חיישן בעל רגישות שיא, גלאים של סמנים ביולוגיים לקביעת מחלות לב וכלי דם.

אותה טכנולוגיה ישימה למתכות אחרות המשמשות בביו-סנסוריה ובמקורות חד-פוטונים. לדוגמה, על בסיס אלומיניום אפיטקסיאלי, אנו מייצרים קיוביטים מוליכים-על. הפתרון שלנו התברר כאוניברסלי באמת.

ספר לנו על התפקיד והמשמעות של ננופוטוניקה. למה רוסיה צריכה לפתח את הכיוון הזה?

- אלקטרוניקה התפתחה במהירות רבה בעשורים האחרונים. הנשאים במכשירים אלה הם אלקטרונים. אבל האלקטרון מוגבל מטבעו. פוטוניקה, לעומת זאת, נותנת לנו את האפשרות לעבוד עם נושא מידע אחר – פוטון שניתן לשלוט בו.

האור הוא המהיר ביותר שיש לנו. נשאים מושלמים יותר עדיין לא ידועים לאנושות. לכן, אנו רואים בכל הקשור לננופוטוניקה מבטיח ביותר. אלו סוגים חדשים של מכשירי מחשוב, מכשירים ביולוגיים חדשים, מגוון שלם של כיוונים יישומיים.

כבר הזכרת את ה"מעבדה על שבב". מה זה, איך אפשר ליישם את זה או שזה כבר מיושם?

- "מעבדה על שבב" - ניסיון לשנות את בסיס העבודה בתחום הניתוחים הביו-רפואיים. למשל, כדי לעשות בדיקת דם היום, אנחנו הולכים למעבדה ולוקחים דגימה. ואז במשך זמן מה - מספר שעות או מספר ימים - אנו ממתינים לתוצאה. אז, ב"מעבדה על שבב" העבודה עם דגימות מועברת לרמת המיקרומטר, לסולם המיקרו. זה מאפשר לך להאיץ באופן קיצוני את כל התהליכים.

ניתן יהיה להעריך את מצבנו בזמן אמת. נסחב בכיסים סוג של מכשיר שיגיד שהכל בסדר. או, למשל, חריגה מרמת הכולסטרול או אינדיקטור חשוב אחר.

באילו גאדג'טים אדם ישתמש בעתיד הקרוב? מה יחליף את "השעונים החכמים" הקיימים?

- אם נדמיין שנוצרו מחשב קוונטי והתקנים מסוג "מעבדה על שבב", שיש להם התקני פוטוניקה "על הסיפון", איתם אנו עובדים באופן פעיל, אז ניתן להפוך את "השעונים החכמים" שלנו ל- מרכז נתונים עובד עם הספק גדול יותר מכל מחשב-על על פני כדור הארץ כעת. וזו רק ההתחלה.

למה מכוניות לא עפות? כי אין לנו מקור דלק שיאפשר לנו להחזיק את המנועים בפעילות לאורך זמן. קיים מטוס המראה אנכי, וניתן להכניס מנוע כזה למכונית. עם זאת, זה ידרוש מיכל דלק שלם.

מחשב קוונטי יאפשר לחשב חומרים בעלי תכונות קבועות מראש וליצור מקורות דלק חדשים. עם הופעת הדברים שאנו עושים היום במרכז, יגיעו הרבה טכנולוגיות חדשות, וכל סרטי מלחמת הכוכבים הפנטסטיים האלה יהיו קרובים למציאות לאחר זמן מה.