Doelen en doelstellingen van het Russische wetenschappelijke centrum met een kwantumcomputer en biosensoren

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

De komst van kwantumcomputers zal de mensheid in staat stellen nieuwe soorten brandstof te creëren en een doorbraak in de geneeskunde te bewerkstelligen. Deze mening wordt gedeeld door de directeur van het Wetenschappelijk Centrum "Functionele Micro / Nanosystemen" van de Technische Staatsuniversiteit van Moskou. N. E. Bauman Ilja Rodionov. Een van de hoofdtaken van het laboratorium onder leiding van hem is volgens hem de ontwikkeling van apparaten voor quantum computing. In een interview met RT sprak de wetenschapper ook over de ontwikkeling van biosensoren voor het in realtime diagnosticeren van een menselijke conditie.

Hoe is uw centrum ontstaan, wat is het?

- Het centrum is nog niet zo lang geleden opgericht, vijf jaar geleden. Het idee van zijn creatie is gebaseerd op de ontwikkeling van apparaten op basis van nieuwe fysieke principes. We wilden technologieën creëren die nog niet in de wereld bestaan en waar mensen baat bij hebben.

11 toonaangevende wereldbedrijven waren betrokken bij de oprichting van het centrum, wat het mogelijk maakte om de nodige infrastructuur en de beste apparatuur te bieden. Het project werd snel uitgevoerd, in slechts één jaar. Drie maanden later zijn we begonnen met het ontwikkelen van technologische oplossingen, op basis waarvan alle devices in het centrum vandaag de dag ontstaan.

Het centrum is gebaseerd op een "clean room" - een industriële ruimte waarin vochtigheid, temperatuur en de hoeveelheid deeltjes in de lucht worden gecontroleerd. Deze parameters zijn van cruciaal belang omdat we werken met zeer kleine structuren, ongeveer 10 nanometer groot, die duizendsten van de diameter van een mensenhaar zijn.

Je doet onderzoek naar de ontwikkeling van de elementbasis voor apparaten van een nieuwe generatie: van quantumcomputers tot biologische sensoren. Wat heb je kunnen doen?

- Ik zou drie belangrijke gebieden willen noemen waarop onze resultaten het wereldniveau hebben bereikt en op sommige plaatsen zelfs hebben overschreden. Het centrum is de toonaangevende technologische aannemer voor twee van de grootste projecten in Rusland op het gebied van quantum computing. Elk van hen ontwikkelt zijn eigen elementbasis: fotonische chips gebaseerd op de principes van nanofotonica en qubit-circuits op basis van supergeleiders.

Alle toonaangevende laboratoria in Rusland die zich bezighouden met kwantumcomputing gebruiken onze chips. In individuele parameters laten de functionele elementen van onze apparaten resultaten zien die het wereldniveau overstijgen.

Het tweede gebied is biotechnologie. Er zijn verschillende technologieën ontwikkeld om zogenaamde laboratoria op een chip te creëren. Dit is de richting die in de toekomst levens zal helpen redden. We ontwikkelen draagbare apparaten die de toestand van een persoon in realtime kunnen diagnosticeren en zelfs een therapeutisch effect kunnen hebben.

Het derde belangrijkste gebied is de ontwikkeling van sensorsensoren en stralingsbronnen. In de afgelopen drie jaar hebben we verschillende wereldrecords tegelijk gevestigd, biologische sensoren gemaakt met een recordgevoeligheid voor bijzonder belangrijke markers. Sommige van deze sensoren kunnen tot drie deeltjes materie detecteren per biljoen deeltjes materie waarin ze zijn opgelost. Er zijn tegenwoordig geen dergelijke apparaten in de wereld.

Samen met onze Amerikaanse partners maken we constructies waarop single-photon sources worden gecreëerd. Dit zijn apparaten die worden gebruikt in de biologie, kwantumcomputers en communicatie.

Hoe is het werk met studenten in het centrum georganiseerd? Krijgt u alles of alleen het beste van het beste en voor een specifiek project?

- Het beste van het beste komt hier, en niet alleen van onze universiteit. Meer dan 90% van de studenten en afgestudeerden van Baumanka, evenals jongens van de Moscow State University en Phystech, werken in het centrum. We staan open voor studenten en afgestudeerden van alle universiteiten. Ik zeg trouwens vaak: "Jongens, we hebben hier geen studenten." Dat betekent maar één ding: iedereen die hier komt, heeft meteen praktische problemen. De basis van de Russische lesmethode, waar Baumanka bekend om staat, is lesgeven over echte "gevechts"-taken. Elke student is onze medewerker.

Iedereen heeft toegang tot apparatuur en materialen, kunnen ze zelf iets doen?

- Individuele apparaten in de "clean room" kosten € 2-3 miljoen, dus natuurlijk heeft niet iedereen toegang. Voordat u zelfstandig aan dergelijke apparatuur kunt werken, moet u een trainingssysteem met meerdere fasen doorlopen. De eerste test is een examen over de kennis van de gedragsregels en het werken in de "clean rooms".

Vervolgens doorlopen de jongens verschillende stadia van training in het buitenland - hetzij van een fabrikant van apparatuur of in laboratoria die vriendelijk voor ons zijn. Ze studeren lang - om toegang te krijgen tot individuele apparaten, moet je ongeveer een jaar studeren.

U zei dat de chips die in uw centrum worden gemaakt, worden gebruikt in alle toonaangevende Russische laboratoria die zich bezighouden met kwantumcomputers. Hoe zullen jouw ontwikkelingen helpen bij het maken van een kwantumcomputer in de vorm van een echt fysiek apparaat?

- Het bouwen van een kwantumcomputer is een extreem moeilijke taak. De ontwikkeling van geïntegreerde apparaten, processorchips, is slechts een onderdeel van het wereldwijde kwantumproject. Het omvat ook de meest complexe algoritmen, het maken van speciale software, experimentele cryogene installaties.

Een groot team van professionals van verschillende universiteiten en onderzoeksgroepen werkt momenteel aan het oplossen van de gestelde doelen. Het is onze taak om onze collega's te voorzien van een hoogwaardige elementbasis, die als basis zal dienen voor een Russische kwantumcomputer.

Wanneer en waar denk je dat de eerste echte functionele universele kwantumcomputer zal verschijnen? Waarom is de ontwikkeling ervan belangrijk?

- Het is moeilijk te voorspellen waar en wanneer een kwantumcomputer zal ontstaan. Experts van 's werelds toonaangevende laboratoria en ondernemingen noemen de voorwaarden van 5 tot 20 jaar. We hebben jonge medewerkers in het centrum, maar we zijn nuchter in onze prognoses. Zelfs 15-20 jaar is een zeer nabije tijd. De mogelijkheden die een kwantumcomputer zal geven zijn eindeloos, ze zullen het leven van de mensheid volledig veranderen. Beginnend met medicijnen, medische apparatuur en eindigend met nieuwe energie, nieuwe materialen.

De kans is groot dat we eindelijk in staat zullen zijn om kanker te verslaan. Een groot aantal toepassingsgebieden vraagt om ultrasnelle computing en simulatie van kwantumsystemen, waarmee het mogelijk wordt om een kwantumprocessor te maken. Dit is een grote prestatie van de mensheid, die ongetwijfeld werkelijkheid zal worden. En ik hoop dat het hier gebeurt.

U sprak over het maken van biosensoren en de ontwikkeling van technologie om materialen voor te maken. Zijn er werkende prototypes, kansrijke ontwikkelingen waar je over kunt praten?

- Onze trots is een nieuwe benadering van het creëren van epitaxiale materialen (materialen met een perfect kristalrooster. - RT). Voorheen werden ze gemaakt met behulp van zeer dure methoden. Ons team is erin geslaagd een relatief goedkope technologie te ontwikkelen, die we gepatenteerd hebben in de Russische Federatie, en nu geven we een internationaal patent af.

We leerden hoe we epitaxiaal zilver konden maken, waar wetenschappers over de hele wereld de afgelopen 60 jaar tevergeefs aan hebben gewerkt. Op basis van zilver zijn een aantal unieke plasmonische apparaten gemaakt: een stralingsbron, een sensor met een recordgevoeligheid, detectoren van biologische markers voor de bepaling van hart- en vaatziekten.

Dezelfde technologie is toepasbaar op andere metalen die worden gebruikt in de biosensorica en in bronnen met één foton. Op basis van epitaxiaal aluminium maken we bijvoorbeeld supergeleidende qubits. Onze oplossing bleek echt universeel te zijn.

Vertel ons over de rol en betekenis van nanofotonica. Waarom moet Rusland deze richting ontwikkelen?

- Elektronica heeft zich de afgelopen decennia zeer snel ontwikkeld. De dragers in deze apparaten zijn elektronen. Maar het elektron is inherent beperkt. Fotonica daarentegen geeft ons de mogelijkheid om met een andere informatiedrager te werken: een foton dat bestuurbaar is.

Licht is het snelste dat we hebben. Perfectere dragers zijn de mensheid nog onbekend. Daarom beschouwen we alles wat met nanofotonica te maken heeft als veelbelovend. Dit zijn nieuwe soorten computerapparatuur, nieuwe biologische apparaten, een hele reeks toegepaste richtingen.

U hebt het "laboratorium op een chip" al genoemd. Wat is het, hoe kan het worden toegepast of wordt het al toegepast?

- "Laboratory on a Chip" - een poging om de basis van het werk op het gebied van biomedische analyses te veranderen. Om bijvoorbeeld vandaag een bloedtest te krijgen, gaan we naar het laboratorium en nemen een monster. Dan wachten we enige tijd - enkele uren of meerdere dagen - op het resultaat. Dus in het "laboratorium op een chip" wordt het werk met monsters overgebracht naar het micrometerniveau, naar de microschaal. Hiermee kunt u alle processen radicaal versnellen.

Het zal mogelijk zijn om onze toestand in realtime te beoordelen. We zullen een soort apparaat in onze zakken dragen dat zegt dat alles in orde is. Of bijvoorbeeld dat het cholesterolgehalte wordt overschreden of een andere belangrijke indicator.

Welke gadgets zal een persoon in de nabije toekomst gebruiken? Wat zal de bestaande "slimme horloges" vervangen?

- Als we ons voorstellen dat er een kwantumcomputer en apparaten van het type "laboratory on a chip" zijn gemaakt, die fotonica-apparaten "aan boord" hebben, waarmee we actief werken, dan kunnen onze "slimme horloges" worden omgezet in een werkend datacenter met een groter vermogen dan welke supercomputer dan ook op aarde. En dit is nog maar het begin.

Waarom vliegen auto's niet? Omdat we geen brandstof hebben waarmee we de motoren lang kunnen laten draaien. Er bestaat een verticale startstraal en zo'n motor zou in een auto kunnen worden geplaatst. Hiervoor is echter wel een hele tank brandstof nodig.

Een kwantumcomputer maakt het mogelijk om stoffen met vooraf bepaalde eigenschappen te berekenen en nieuwe brandstofbronnen te creëren. Met de komst van de dingen die we vandaag in het centrum doen, zullen er veel nieuwe technologieën komen, en al deze fantastische Star Wars-films zullen na een tijdje dicht bij de realiteit komen.