Ziele und Zielsetzungen des russischen Wissenschaftszentrums mit einem Quantencomputer und Biosensoren

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Das Aufkommen von Quantencomputern wird es der Menschheit ermöglichen, neue Arten von Brennstoffen zu entwickeln und einen Durchbruch in der Medizin zu erzielen. Diese Meinung teilt der Direktor des Wissenschaftlichen Zentrums "Funktionale Mikro-/Nanosysteme" an der Moskauer Staatlichen Technischen Universität. N. E. Bauman Ilja Rodionow. Eine der Hauptaufgaben des von ihm geleiteten Labors ist seiner Meinung nach die Entwicklung von Geräten für das Quantencomputing. In einem Interview mit RT sprach der Wissenschaftler auch über die Entwicklung von Biosensoren zur Diagnose eines menschlichen Zustands in Echtzeit.

Wie ist Ihr Zentrum entstanden, was ist das?

- Das Zentrum wurde vor nicht allzu langer Zeit, vor fünf Jahren, gegründet. Die Idee seiner Entstehung basiert auf der Entwicklung von Geräten, die auf neuen physikalischen Prinzipien basieren. Wir wollten Technologien schaffen, die es auf der Welt noch nicht gibt und von denen die Menschen profitieren.

An der Einrichtung des Zentrums waren 11 weltweit führende Unternehmen beteiligt, die es ermöglichten, die notwendige Infrastruktur und die beste Ausrüstung bereitzustellen. Das Projekt wurde in nur einem Jahr zügig umgesetzt. Drei Monate später haben wir begonnen, technologische Lösungen zu entwickeln, auf deren Basis heute alle Geräte im Zentrum entstehen.

Das Zentrum basiert auf einem "Reinraum" - einem Industrieraum, in dem Luftfeuchtigkeit, Temperatur und die Menge an Partikeln in der Luft kontrolliert werden. Diese Parameter sind von entscheidender Bedeutung, da wir mit sehr kleinen Strukturen arbeiten, etwa 10 Nanometer groß, was Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht.

Sie forschen an der Entwicklung der Elementbasis für Geräte einer neuen Generation: vom Quantencomputer bis zum biologischen Sensor. Was ist Ihnen gelungen?

- Ich möchte drei Schlüsselbereiche herausgreifen, in denen unsere Ergebnisse das Weltniveau erreicht und an einigen Stellen sogar übertroffen haben. Das Zentrum ist der führende technologische Auftragnehmer für zwei der größten Projekte in Russland im Bereich Quantencomputing. Jeder von ihnen entwickelt seine eigene Elementbasis: Photonische Chips auf Basis der Prinzipien der Nanophotonik und Qubit-Schaltungen auf Basis von Supraleitern.

Alle führenden Labore in Russland, die sich mit Quantencomputern befassen, verwenden unsere Chips. Bei einzelnen Parametern zeigen die Funktionselemente unserer Geräte Ergebnisse, die das Weltniveau übertreffen.

Der zweite Bereich ist die Biotechnologie. Es wurden mehrere Technologien entwickelt, um sogenannte Labors auf einem Chip zu erstellen. Dies ist die Richtung, die in Zukunft dazu beitragen wird, Leben zu retten. Wir entwickeln tragbare Geräte, die den Zustand einer Person in Echtzeit diagnostizieren und sogar eine therapeutische Wirkung entfalten können.

Der drittwichtigste Bereich ist die Entwicklung von Sensorsensoren und Strahlungsquellen. In den letzten drei Jahren haben wir mehrere Weltrekorde auf einmal aufgestellt, biologische Sensoren mit Rekordempfindlichkeit gegenüber besonders wichtigen Markern geschaffen. Einige dieser Sensoren können bis zu drei Materieteilchen pro Billion Materieteilchen erkennen, in denen sie gelöst sind. Solche Geräte gibt es heute weltweit nicht mehr.

Gemeinsam mit unseren amerikanischen Partnern stellen wir Strukturen her, auf denen Einzelphotonenquellen erzeugt werden. Dies sind Geräte, die in der Biologie, im Quantencomputing und in der Kommunikation verwendet werden.

Wie ist die Arbeit mit Studierenden im Zentrum organisiert? Bekommen Sie alles oder nur das Beste vom Besten und für ein bestimmtes Projekt?

- Die Besten der Besten kommen hierher, und das nicht nur von unserer Universität. Mehr als 90% der Studenten und Absolventen von Baumanka sowie Leute von der Moskauer Staatsuniversität und von Phystech arbeiten im Zentrum. Wir stehen Studierenden und Absolventen aller Hochschulen offen. Übrigens sage ich oft: "Leute, wir haben hier keine Studenten." Das bedeutet nur eines - jeder, der hierher kommt, arbeitet sofort mit praktischen Problemen. Die Grundlage der russischen Lehrmethode, für die Baumanka berühmt ist, ist der Unterricht an echten "Kampf"-Aufgaben. Jeder Student ist unser Mitarbeiter.

Jeder hat Zugang zu Ausrüstung und Materialien, kann er selbst etwas tun?

- Einzelne Geräte im "Reinraum" kosten 2-3 Mio. €, daher hat natürlich nicht jeder Zugang. Bevor Sie an solchen Geräten selbstständig arbeiten können, müssen Sie ein mehrstufiges Trainingssystem durchlaufen. Der erste Test ist eine Prüfung zur Kenntnis der Verhaltens- und Arbeitsregeln in den „Reinräumen“.

Anschließend durchlaufen die Jungs mehrere Ausbildungsstufen im Ausland – entweder bei einem Gerätehersteller oder in uns befreundeten Labors. Sie lernen lange - um Zugang zu einzelnen Geräten zu erhalten, müssen Sie etwa ein Jahr studieren.

Sie haben erwähnt, dass die in Ihrem Zentrum hergestellten Chips in allen führenden russischen Labors verwendet werden, die sich mit Quantencomputern beschäftigen. Wie werden Ihre Entwicklungen dazu beitragen, einen Quantencomputer in Form eines realen physikalischen Geräts zu schaffen?

- Einen Quantencomputer zu bauen ist eine extrem schwierige Aufgabe. Die Entwicklung von integrierten Geräten, Prozessorchips, ist nur ein Teil des globalen Quantenprojekts. Es umfasst auch die komplexesten Algorithmen, die Erstellung spezieller Software, experimentelle kryogene Installationen.

Ein großes Team von Fachleuten verschiedener Universitäten und Forschungsgruppen arbeitet derzeit an der Lösung der gesteckten Ziele. Unsere Aufgabe ist es, unseren Kollegen eine hochwertige Elementbasis zur Verfügung zu stellen, die als Basis für einen russischen Quantencomputer dienen wird.

Wann und wo wird Ihrer Meinung nach der erste wirklich funktionsfähige universelle Quantencomputer erscheinen? Warum ist seine Entwicklung wichtig?

- Es ist schwer vorherzusagen, wo und wann ein Quantencomputer entstehen wird. Experten aus den weltweit führenden Labors und Unternehmen nennen die Laufzeiten 5 bis 20 Jahre. Wir haben junge Mitarbeiter im Zentrum, sind aber in unseren Prognosen nüchtern. Auch 15-20 Jahre sind eine sehr knappe Zeit. Die Möglichkeiten, die ein Quantencomputer bieten wird, sind endlos, sie werden das Leben der Menschheit komplett verändern. Angefangen bei Medikamenten, medizinischen Geräten und endend bei neuer Energie, neuen Materialien.

Die Chancen stehen gut, dass wir den Krebs endlich besiegen können. Eine Vielzahl von Anwendungsgebieten erfordert ultraschnelle Berechnungen und Simulationen von Quantensystemen, die die Herstellung eines Quantenprozessors ermöglichen. Dies ist eine große Errungenschaft der Menschheit, die zweifellos Wirklichkeit werden wird. Und ich hoffe, es passiert genau hier.

Sie haben über die Entwicklung von Biosensoren und die Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Materialien dafür gesprochen. Gibt es funktionierende Prototypen, vielversprechende Entwicklungen, über die Sie sprechen können?

- Unser Stolz ist ein neuer Ansatz bei der Herstellung von epitaktischen Materialien (Materialien mit einem perfekten Kristallgitter. - RT). Früher wurden sie mit sehr teuren Methoden hergestellt. Unserem Team ist es gelungen, eine relativ kostengünstige Technologie zu entwickeln, die wir in der Russischen Föderation patentieren ließen und nun ein internationales Patent erteilen.

Wir haben gelernt, wie man epitaktisches Silber herstellt, an dem Wissenschaftler auf der ganzen Welt seit 60 Jahren erfolglos gearbeitet haben. Auf der Basis von Silber wurden eine Reihe einzigartiger plasmonischer Geräte entwickelt: eine Strahlungsquelle, ein Sensor mit Rekordempfindlichkeit, Detektoren für biologische Marker zur Bestimmung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Die gleiche Technologie ist auf andere Metalle anwendbar, die in der Biosensorik und in Einzelphotonenquellen verwendet werden. Auf Basis von epitaktischem Aluminium stellen wir beispielsweise supraleitende Qubits her. Unsere Lösung erwies sich als wirklich universell.

Erzählen Sie uns von der Rolle und Bedeutung der Nanophotonik. Warum muss Russland diese Richtung entwickeln?

- Die Elektronik hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr schnell entwickelt. Die Ladungsträger in diesen Geräten sind Elektronen. Aber das Elektron ist von Natur aus begrenzt. Die Photonik hingegen bietet uns die Möglichkeit, mit einem anderen Informationsträger zu arbeiten – einem steuerbaren Photon.

Licht ist das schnellste, was wir haben. Perfektere Träger sind der Menschheit noch unbekannt. Daher halten wir alles rund um die Nanophotonik für äußerst vielversprechend. Dies sind neue Arten von Computergeräten, neue biologische Geräte, eine ganze Reihe von Anwendungsrichtungen.

Sie haben bereits das "Labor auf einem Chip" erwähnt. Was ist das, wie kann es angewendet werden oder wird es bereits angewendet?

- „Laboratorium auf einem Chip“– ein Versuch, die Arbeitsgrundlagen im Bereich der biomedizinischen Analysen zu ändern. Um zum Beispiel heute einen Bluttest machen zu lassen, gehen wir ins Labor und nehmen eine Probe. Dann warten wir einige Zeit - mehrere Stunden oder mehrere Tage - auf das Ergebnis. Im „Labor auf einem Chip“wird die Arbeit mit Proben also auf die Mikrometerebene, auf die Mikroskala übertragen. Dadurch können Sie alle Prozesse radikal beschleunigen.

Es wird möglich sein, unseren Zustand in Echtzeit zu beurteilen. Wir werden in unseren Taschen eine Art Gerät tragen, das sagt, dass alles in Ordnung ist. Oder zum Beispiel, dass der Cholesterinspiegel überschritten wird oder ein anderer wichtiger Indikator.

Welche Geräte wird eine Person in naher Zukunft verwenden? Was wird die bisherigen „Smartwatches“ersetzen?

- Wenn wir uns vorstellen, dass ein Quantencomputer und Geräte vom Typ „Labor auf einem Chip“entstanden sind, die photonische Geräte „an Bord“haben, mit denen wir aktiv arbeiten, dann können unsere „Smartwatches“zu einer Rechenzentrum mit einer Leistung, die größer ist als jeder Supercomputer auf der Welt. Und das ist erst der Anfang.

Warum fliegen Autos nicht? Denn wir haben keine Kraftstoffquelle, die es uns ermöglicht, die Motoren lange am Laufen zu halten. Es gibt einen Senkrechtstarter, und ein solches Triebwerk könnte in ein Auto eingebaut werden. Dies erfordert jedoch einen ganzen Tank Kraftstoff.

Ein Quantencomputer wird es ermöglichen, Stoffe mit vorgegebenen Eigenschaften zu berechnen und neue Treibstoffquellen zu schaffen. Mit dem Aufkommen der Dinge, die wir heute im Zentrum machen, werden viele neue Technologien kommen und all diese fantastischen Star Wars-Filme werden nach einer Weile der Realität nahe sein.