Scopi e obiettivi del centro scientifico russo con un computer quantistico e biosensori

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

L'avvento dei computer quantistici consentirà all'umanità di creare nuovi tipi di carburante e fare un passo avanti nella medicina. Questa opinione è condivisa dal direttore del Centro scientifico "Functional Micro / Nanosystems" presso l'Università tecnica statale di Mosca. N. E. Bauman Ilya Rodionov. Secondo lui, uno dei compiti principali del laboratorio da lui diretto è lo sviluppo di dispositivi per l'informatica quantistica. In un'intervista a RT, lo scienziato ha anche parlato dello sviluppo di biosensori per la diagnosi di una condizione umana in tempo reale.

Come è stato creato il tuo centro, che cos'è?

- Il centro è stato creato non molto tempo fa, cinque anni fa. L'idea della sua creazione si basa sullo sviluppo di dispositivi basati su nuovi principi fisici. Volevamo creare tecnologie che non esistono ancora nel mondo e che andranno a beneficio delle persone.

Nella realizzazione del centro sono state coinvolte 11 aziende leader a livello mondiale, che ha permesso di fornire le infrastrutture necessarie e le migliori attrezzature. Il progetto è stato realizzato rapidamente, in un solo anno. Tre mesi dopo, abbiamo iniziato a sviluppare soluzioni tecnologiche, sulla base delle quali oggi vengono creati tutti i dispositivi del centro.

Il centro si basa su una "camera bianca", una stanza industriale in cui sono controllate l'umidità, la temperatura e la quantità di particelle nell'aria. Questi parametri sono di fondamentale importanza perché stiamo lavorando con strutture molto piccole, di circa 10 nanometri, che sono millesimi del diametro di un capello umano.

Stai conducendo ricerche sullo sviluppo dell'elemento base per dispositivi di nuova generazione: dai computer quantistici ai sensori biologici. Cosa sei riuscito a fare?

- Indicherei tre aree chiave in cui i nostri risultati hanno raggiunto il livello mondiale e in alcuni luoghi lo hanno addirittura superato. Il centro è il principale appaltatore tecnologico per due dei più grandi progetti in Russia nel campo dell'informatica quantistica. Ciascuno di essi sviluppa la propria base di elementi: chip fotonici basati sui principi della nanofotonica e circuiti qubit basati su superconduttori.

Tutti i principali laboratori in Russia che si occupano di informatica quantistica utilizzano i nostri chip. Nei singoli parametri, gli elementi funzionali dei nostri dispositivi dimostrano risultati che superano il livello mondiale.

La seconda area è la biotecnologia. Sono state sviluppate diverse tecnologie per creare i cosiddetti laboratori su un chip. Questa è la direzione che aiuterà a salvare vite umane in futuro. Stiamo sviluppando dispositivi portatili in grado di diagnosticare le condizioni di una persona in tempo reale e persino svolgere un effetto terapeutico.

La terza area più importante è lo sviluppo di sensori e sorgenti di radiazioni. Negli ultimi tre anni, abbiamo stabilito diversi record mondiali contemporaneamente, creato sensori biologici con una sensibilità record a marcatori particolarmente importanti. Alcuni di questi sensori possono rilevare fino a tre particelle di materia per trilione di particelle di materia in cui sono disciolti. Non ci sono dispositivi di questo tipo nel mondo oggi.

Insieme ai nostri partner americani, realizziamo strutture su cui vengono create sorgenti a singolo fotone. Questi sono dispositivi utilizzati in biologia, informatica quantistica e comunicazioni.

Come è organizzato il lavoro con gli studenti nel centro? Ottieni tutto o solo il meglio del meglio e per un progetto specifico?

- Il meglio del meglio arriva qui, e non solo dalla nostra università. Oltre il 90% degli studenti e dei laureati di Baumanka, così come i ragazzi dell'Università statale di Mosca e del Phystech, lavorano nel centro. Siamo aperti a studenti e laureati di tutte le università. A proposito, dico spesso: "Ragazzi, non abbiamo studenti qui". Questo significa solo una cosa: tutti quelli che arrivano qui lavorano immediatamente con problemi pratici. La base del metodo di insegnamento russo, per il quale Baumanka è famoso, è l'insegnamento su compiti reali di "combattimento". Ogni studente è nostro dipendente.

Tutti hanno accesso ad attrezzature e materiali, possono fare qualcosa di loro?

- Le singole apparecchiature all'interno della "camera bianca" costano 2-3 milioni di euro, quindi, ovviamente, non tutti hanno accesso. Prima di poter lavorare in modo indipendente su tali apparecchiature, è necessario passare attraverso un sistema di formazione a più fasi. La prima prova è un esame sulla conoscenza delle regole di comportamento e lavoro all'interno delle “camere bianche”.

Quindi i ragazzi attraversano diverse fasi di formazione all'estero, da un produttore di apparecchiature o in laboratori a noi amichevoli. Studiano a lungo: per accedere a singole apparecchiature, è necessario studiare per circa un anno.

Hai detto che i chip realizzati nel tuo centro sono utilizzati in tutti i principali laboratori russi impegnati nell'informatica quantistica. In che modo i tuoi sviluppi ti aiuteranno a creare un computer quantistico sotto forma di un vero dispositivo fisico?

- Costruire un computer quantistico è un compito estremamente difficile. Lo sviluppo di dispositivi integrati, chip del processore è solo una parte del progetto quantistico globale. Include anche gli algoritmi più complessi, la creazione di software speciali, installazioni criogeniche sperimentali.

Un nutrito team di professionisti provenienti da varie università e gruppi di ricerca sta attualmente lavorando per risolvere gli obiettivi prefissati. Il nostro compito è fornire ai nostri colleghi una base di elementi di alta qualità, che servirà come base per un computer quantistico russo.

Quando e dove pensi che apparirà il primo vero computer quantistico universale funzionale? Perché è importante il suo sviluppo?

- È difficile prevedere dove e quando verrà creato un computer quantistico. Gli esperti dei principali laboratori e imprese del mondo chiamano i termini da 5 a 20 anni. Abbiamo giovani dipendenti al centro, ma siamo sobri nelle nostre previsioni. Anche 15-20 anni sono un periodo molto vicino. Le possibilità che offrirà un computer quantistico sono infinite, cambieranno completamente la vita dell'umanità. A partire da farmaci, apparecchiature mediche e per finire con nuove energie, nuovi materiali.

È probabile che saremo finalmente in grado di sconfiggere il cancro. Un gran numero di aree applicative richiede il calcolo e la simulazione ultraveloci di sistemi quantistici, che renderanno possibile realizzare un processore quantistico. Questa è una grande conquista dell'umanità, che diventerà senza dubbio una realtà. E spero che accada proprio qui.

Hai parlato della creazione di biosensori e dello sviluppo della tecnologia per creare materiali per loro. Ci sono prototipi funzionanti, sviluppi promettenti di cui puoi parlare?

- Il nostro orgoglio è un nuovo approccio alla creazione di materiali epitassiali (materiali con un reticolo cristallino perfetto. - RT). In precedenza, venivano realizzati con metodi molto costosi. Il nostro team è riuscito a sviluppare una tecnologia relativamente economica, che abbiamo brevettato nella Federazione Russa, e ora stiamo rilasciando un brevetto internazionale.

Abbiamo imparato come creare l'argento epitassiale, su cui gli scienziati di tutto il mondo hanno lavorato senza successo negli ultimi 60 anni. Sulla base dell'argento sono stati creati numerosi dispositivi plasmonici unici: una sorgente di radiazioni, un sensore con una sensibilità record, rilevatori di marcatori biologici per la determinazione delle malattie cardiovascolari.

La stessa tecnologia è applicabile ad altri metalli utilizzati nei biosensori e nelle sorgenti a singolo fotone. Ad esempio, basati sull'alluminio epitassiale, realizziamo qubit superconduttori. La nostra soluzione si è rivelata veramente universale.

Parlaci del ruolo e del significato della nanofotonica. Perché la Russia ha bisogno di sviluppare questa direzione?

- L'elettronica si è sviluppata molto rapidamente negli ultimi decenni. I vettori in questi dispositivi sono gli elettroni. Ma l'elettrone è intrinsecamente limitato. La fotonica, d'altra parte, ci dà l'opportunità di lavorare con un altro vettore di informazioni: un fotone che può essere controllato.

La luce è la più veloce che abbiamo. Portatori più perfetti sono ancora sconosciuti all'umanità. Pertanto, consideriamo estremamente promettente tutto ciò che riguarda la nanofotonica. Questi sono nuovi tipi di dispositivi informatici, nuovi dispositivi biologici, un'intera gamma di direzioni applicate.

Hai già menzionato il "laboratorio su un chip". Che cos'è, come si applica o si sta già applicando?

- "Laboratorio su un chip" - un tentativo di cambiare le basi del lavoro nel campo delle analisi biomediche. Ad esempio, per fare un esame del sangue oggi, andiamo in laboratorio e preleviamo un campione. Quindi per un po 'di tempo - diverse ore o diversi giorni - aspettiamo il risultato. Quindi, nel "laboratorio su un chip" il lavoro con i campioni viene trasferito al livello del micrometro, alla microscala. Ciò consente di accelerare radicalmente tutti i processi.

Sarà possibile valutare in tempo reale la nostra condizione. Porteremo nelle nostre tasche una sorta di dispositivo che dirà che va tutto bene. O, ad esempio, che viene superato il livello di colesterolo o un altro indicatore importante.

Quali gadget utilizzerà una persona nel prossimo futuro? Cosa sostituirà gli "orologi intelligenti" esistenti?

- Se immaginiamo che siano stati creati un computer quantistico e dispositivi del tipo "laboratorio su chip", che hanno dispositivi fotonici "a bordo", con i quali stiamo lavorando attivamente, allora i nostri "orologi intelligenti" possono essere trasformati in un data center funzionante con una potenza superiore a qualsiasi supercomputer sulla terra ora. E questo è solo l'inizio.

Perché le auto non volano? Perché non abbiamo una fonte di carburante che ci permetta di mantenere i motori accesi per molto tempo. Esiste un jet a decollo verticale e un tale motore potrebbe essere messo in un'auto. Tuttavia, ciò richiederà un intero serbatoio di carburante.

Un computer quantistico consentirà di calcolare sostanze con proprietà predeterminate e creare nuove fonti di carburante. Con l'avvento delle cose che stiamo facendo oggi al centro, arriveranno molte nuove tecnologie e tutti questi fantastici film di Star Wars saranno vicini alla realtà dopo un po'.