اهداف و اهداف مرکز علمی روسیه با کامپیوتر کوانتومی و حسگرهای زیستی

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

ظهور رایانه های کوانتومی به بشریت اجازه می دهد تا انواع جدیدی از سوخت ایجاد کند و پیشرفتی در پزشکی ایجاد کند. این نظر توسط مدیر مرکز علمی "عملکرد میکرو / نانو سیستم" در دانشگاه فنی دولتی مسکو به اشتراک گذاشته شده است. N. E. باومن ایلیا رودیونوف. به گفته وی، یکی از وظایف اصلی آزمایشگاه تحت سرپرستی وی، توسعه دستگاه هایی برای محاسبات کوانتومی است. در مصاحبه با RT، دانشمند همچنین در مورد توسعه حسگرهای زیستی برای تشخیص وضعیت انسانی در زمان واقعی صحبت کرد.

مرکز شما چگونه ایجاد شد، چیست؟

- این مرکز نه چندان دور، پنج سال پیش ایجاد شد. ایده ایجاد آن بر اساس توسعه دستگاه هایی بر اساس اصول فیزیکی جدید است. ما می خواستیم فناوری هایی ایجاد کنیم که هنوز در دنیا وجود ندارد و به نفع مردم باشد.

11 شرکت پیشرو جهانی در ایجاد این مرکز مشارکت داشتند که امکان فراهم کردن زیرساخت های لازم و بهترین تجهیزات را فراهم کرد. این پروژه تنها در یک سال به سرعت اجرا شد. سه ماه بعد، ما شروع به توسعه راه حل های فناورانه کردیم که امروزه تمام دستگاه های موجود در مرکز بر اساس آن ساخته می شوند.

این مرکز بر اساس یک "اتاق تمیز" است - یک اتاق صنعتی که در آن رطوبت، دما و مقدار ذرات موجود در هوا کنترل می شود. این پارامترها بسیار مهم هستند زیرا ما در حال کار با ساختارهای بسیار کوچک، حدود 10 نانومتر، که هزارم قطر موی انسان است، کار می کنیم.

شما در حال انجام تحقیق در مورد توسعه پایه عنصر برای دستگاه های نسل جدید هستید: از رایانه های کوانتومی تا حسگرهای بیولوژیکی. موفق به انجام چه کاری شدی؟

- من سه حوزه کلیدی را که نتایج ما در آنها به سطح جهانی رسیده و در برخی جاها حتی از آن فراتر رفته است را مشخص می کنم. این مرکز پیمانکار فناوری پیشرو برای دو پروژه از بزرگترین پروژه های روسیه در زمینه محاسبات کوانتومی است. هر یک از آنها پایه عنصر خود را توسعه می دهند: تراشه های فوتونی بر اساس اصول نانوفتونیک و مدارهای کیوبیت مبتنی بر ابررساناها.

تمام آزمایشگاه های پیشرو در روسیه که با محاسبات کوانتومی سروکار دارند از تراشه های ما استفاده می کنند. در پارامترهای فردی، عناصر عملکردی دستگاه‌های ما نتایجی را نشان می‌دهند که فراتر از سطح جهانی است.

حوزه دوم بیوتکنولوژی است. چندین فن آوری برای ایجاد آزمایشگاه های به اصطلاح روی یک تراشه توسعه یافته است. این مسیری است که به نجات زندگی در آینده کمک خواهد کرد. ما در حال توسعه دستگاه‌های قابل حملی هستیم که می‌توانند وضعیت یک فرد را در زمان واقعی تشخیص دهند و حتی اثر درمانی داشته باشند.

سومین حوزه مهم توسعه حسگرهای حسگر و منابع تشعشعی است. در طول سه سال گذشته، ما چندین رکورد جهانی را به طور همزمان ثبت کردیم، حسگرهای بیولوژیکی با حساسیت رکورد به نشانگرهای مهم ایجاد کردیم. برخی از این حسگرها می توانند تا سه ذره ماده را در هر تریلیون ذره ماده ای که در آن حل شده اند، تشخیص دهند. امروزه چنین دستگاه هایی در دنیا وجود ندارد.

ما به همراه شرکای آمریکایی خود، ساختارهایی را تولید می کنیم که منابع تک فوتونی بر روی آنها ساخته می شوند. اینها دستگاه هایی هستند که در زیست شناسی، محاسبات کوانتومی و ارتباطات استفاده می شوند.

سازماندهی کار با دانش آموزان در مرکز چگونه است؟ آیا همه یا فقط بهترین ها را برای یک پروژه خاص دریافت می کنید؟

- بهترین از بهترین ها به اینجا می آیند، و نه تنها از دانشگاه ما. بیش از 90٪ از دانشجویان و فارغ التحصیلان باومانکا و همچنین بچه هایی از دانشگاه دولتی مسکو و Phystech در این مرکز کار می کنند. ما پذیرای دانشجویان و فارغ التحصیلان تمامی دانشگاه ها هستیم. اتفاقاً من اغلب می گویم: "بچه ها، ما اینجا شاگرد نداریم." این فقط یک چیز دارد - هر کسی که بلافاصله به اینجا می رسد با مشکلات عملی کار می کند. اساس روش تدریس روسی، که باومانکا به آن مشهور است، تدریس بر روی وظایف واقعی و "جنگی" است. هر دانش آموزی کارمند ماست.

همه به تجهیزات و مواد دسترسی دارند، آیا می توانند کاری از خود انجام دهند؟

- تک تک تجهیزات داخل اتاق تمیز 2 تا 3 میلیون یورو هزینه دارد، بنابراین، البته، همه دسترسی ندارند. قبل از اینکه بتوانید به طور مستقل روی چنین تجهیزاتی کار کنید، باید یک سیستم آموزشی چند مرحله ای را طی کنید. آزمون اول، بررسی آگاهی از قوانین رفتار و کار در داخل «اتاق های تمیز» است.

سپس بچه ها چندین مرحله آموزش در خارج از کشور را پشت سر می گذارند - یا از یک سازنده تجهیزات یا در آزمایشگاه هایی که برای ما دوستانه هستند. آنها برای مدت طولانی مطالعه می کنند - برای دسترسی به تجهیزات فردی، شما باید حدود یک سال مطالعه کنید.

شما اشاره کردید که تراشه های ساخته شده در مرکز شما در تمام آزمایشگاه های پیشرو روسیه که در زمینه محاسبات کوانتومی مشغول هستند استفاده می شود. پیشرفت های شما چگونه به ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی در قالب یک دستگاه فیزیکی واقعی کمک می کند؟

- ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کار بسیار دشواری است. توسعه دستگاه های یکپارچه، تراشه های پردازنده تنها بخشی از پروژه کوانتومی جهانی است. همچنین شامل پیچیده ترین الگوریتم ها، ایجاد نرم افزارهای ویژه، تاسیسات برودتی تجربی است.

تیم بزرگی از متخصصان از دانشگاه ها و گروه های تحقیقاتی مختلف در حال حاضر بر روی حل اهداف تعیین شده کار می کنند. وظیفه ما این است که به همکاران خود یک پایه عنصر با کیفیت بالا ارائه دهیم که به عنوان پایه ای برای یک کامپیوتر کوانتومی روسی عمل می کند.

فکر می کنید اولین کامپیوتر کوانتومی جهانی کاربردی واقعی کی و کجا ظاهر می شود؟ چرا توسعه آن مهم است؟

- پیش بینی اینکه یک کامپیوتر کوانتومی کجا و چه زمانی ساخته می شود دشوار است. کارشناسان آزمایشگاه ها و شرکت های پیشرو جهان شرایط را از 5 تا 20 سال می نامند. ما در مرکز کارمندان جوان داریم، اما در پیش بینی هایمان هوشیار هستیم. حتی 15-20 سال زمان بسیار نزدیکی است. امکاناتی که یک کامپیوتر کوانتومی به شما می دهد بی پایان است، آنها زندگی بشر را کاملاً تغییر خواهند داد. شروع از داروها، تجهیزات پزشکی و پایان دادن به انرژی های جدید، مواد جدید.

این احتمال وجود دارد که بالاخره بتوانیم سرطان را شکست دهیم. تعداد زیادی از حوزه های کاربردی نیاز به محاسبات فوق سریع و شبیه سازی سیستم های کوانتومی دارند که ساخت یک پردازنده کوانتومی را ممکن می کند. این یک دستاورد بزرگ بشریت است که بدون شک به واقعیت تبدیل خواهد شد. و امیدوارم همین جا اتفاق بیفتد.

درباره ایجاد حسگرهای زیستی و توسعه فناوری ساخت مواد برای آنها صحبت کردید. آیا نمونه های اولیه کار، پیشرفت های امیدوار کننده ای وجود دارد که بتوانید در مورد آنها صحبت کنید؟

- افتخار ما یک رویکرد جدید برای ایجاد مواد همپایه (مواد با شبکه کریستالی کامل. - RT) است. پیش از این، آنها با استفاده از روش های بسیار گران قیمت ساخته می شدند. تیم ما موفق شد یک فناوری نسبتا ارزان را توسعه دهد که ما آن را در فدراسیون روسیه ثبت کردیم و اکنون در حال صدور یک پتنت بین المللی هستیم.

ما یاد گرفتیم که چگونه نقره اپیتاکسیال را ایجاد کنیم، که دانشمندان در سراسر جهان در 60 سال گذشته بر روی آن ناموفق کار کرده اند. تعدادی دستگاه پلاسمونیک منحصر به فرد بر اساس نقره ساخته شده است: منبع تابش، حسگر با حساسیت رکورد، آشکارسازهای نشانگرهای بیولوژیکی برای تعیین بیماری های قلبی عروقی.

همین فناوری برای سایر فلزات مورد استفاده در حسگرهای زیستی و منابع تک فوتونی نیز قابل اجرا است. به عنوان مثال، بر اساس آلومینیوم اپیتاکسیال، کیوبیت های ابررسانا می سازیم. راه حل ما واقعاً جهانی بود.

در مورد نقش و اهمیت نانوفوتونیك ها بگویید. چرا روسیه نیاز به توسعه این جهت دارد؟

- الکترونیک در دهه های گذشته بسیار سریع در حال توسعه بوده است. حامل های این دستگاه ها الکترون ها هستند. اما الکترون ذاتاً محدود است. از سوی دیگر، فوتونیک به ما این فرصت را می دهد که با یک حامل اطلاعات دیگر کار کنیم - فوتونی که قابل کنترل است.

نور سریعترین چیزی است که ما داریم. حامل های کامل تر هنوز برای بشر ناشناخته هستند. بنابراین، ما همه چیز مربوط به نانوفوتونیک را بسیار امیدوارکننده می دانیم. اینها انواع جدیدی از دستگاه های محاسباتی، دستگاه های بیولوژیکی جدید، طیف وسیعی از جهت های کاربردی هستند.

قبلاً به "آزمایشگاه روی یک تراشه" اشاره کرده اید. چیست، چگونه می توان آن را اعمال کرد یا در حال حاضر اعمال می شود؟

- "آزمایشگاه روی یک تراشه" - تلاشی برای تغییر اساس کار در زمینه تجزیه و تحلیل های زیست پزشکی. مثلا امروز برای اینکه آزمایش خون بدهیم به آزمایشگاه می رویم و نمونه می گیریم. سپس برای مدتی - چند ساعت یا چند روز - منتظر نتیجه هستیم. بنابراین، در "آزمایشگاه روی یک تراشه" کار با نمونه ها به سطح میکرومتر، به مقیاس میکرو منتقل می شود. این به شما این امکان را می دهد که سرعت تمام فرآیندها را بطور اساسی افزایش دهید.

ارزیابی وضعیت ما در زمان واقعی امکان پذیر خواهد بود. ما نوعی وسیله را در جیب خود حمل می کنیم که می گوید همه چیز خوب است. یا مثلاً سطح کلسترول بیش از حد است یا شاخص مهم دیگری.

فرد در آینده نزدیک از چه ابزارهایی استفاده خواهد کرد؟ چه چیزی جایگزین «ساعت های هوشمند» موجود می شود؟

- اگر تصور کنیم که یک کامپیوتر کوانتومی و دستگاه هایی از نوع "آزمایشگاه روی یک تراشه" ساخته شده اند که دارای دستگاه های فوتونیک "روی" هستند که ما به طور فعال با آن کار می کنیم، می توان "ساعت های هوشمند" ما را به یک ساعت تبدیل کرد. مرکز داده در حال کار با قدرتی بیشتر از هر ابرکامپیوتری روی زمین در حال حاضر. و این تازه اولشه.

چرا ماشین ها پرواز نمی کنند؟ زیرا ما منبع سوختی نداریم که بتوانیم موتورها را برای مدت طولانی روشن نگه داریم. یک جت برخاست عمودی وجود دارد و چنین موتوری را می توان در خودرو قرار داد. با این حال، این به یک مخزن کامل سوخت نیاز دارد.

یک کامپیوتر کوانتومی محاسبه مواد با خواص از پیش تعیین شده و ایجاد منابع جدید سوخت را ممکن می سازد. با ظهور کارهایی که امروز در مرکز انجام می‌دهیم، بسیاری از فناوری‌های جدید از راه خواهند رسید و همه این فیلم‌های فوق‌العاده جنگ ستارگان پس از مدتی به واقعیت نزدیک خواهند شد.