Что такое квантовые технологии и чем они отличаются от привычных? На каких принципах они построены и что могут дать людям? Что такое сегнетоэлектрическая память или принтер плазмонных наноструктур? Может ли наступить квантовое бессмертие и как это будет? Об этом и многом другом мы беседуем с директором Института квантовых технологий МФТИ членом-корреспондентом РАН Виктором Владимировичем Ивановым.
― Виктор Владимирович, ваш Институт квантовых технологий был создан сравнительно недавно. Для чего?
― Создание института стало одним из важнейших элементов общей стратегии Физтеха, направленной на то, чтобы здесь не только проводились фундаментальные исследования, но чтобы результаты таких исследований применялись на практике для создания устройств и технологий, которые можно непосредственно передавать в производство. С этой целью создается сеть прикладных исследовательских институтов внутри МФТИ. Одним из таких институтов стал Институт квантовых технологий.
― Какие конкретные задачи стоят перед вашим институтом?
― Это поисковые научные исследования, поиск того, что может быть актуальным в ближайшей и среднесрочной перспективе. Затем это необходимо довести до технологий, которые можно поставить на производство или довести до конкретного устройства и, разработав соответствующую документацию, передать на производство.
В этом ряду у нас стоит также подготовка специалистов, которые были бы обучены не только на научных поисковых исследованиях, но и на прикладных, чтобы ребята смогли затем пойти на подобные производства и сразу же погрузиться в них, умели сами организовывать такие производства. Мы надеемся, что из тех, кто будет проходить у нас научно-исследовательскую работу, может получиться много инициаторов разных стартап-проектов. Мы готовим для них соответствующее образование. Безусловно, институт направлен на разработку тех технологий и устройств, которые опираются на квантовые технологии и принципы, на эффекты квантования, управляемые законами квантовой механики.
― Это сейчас очень популярное словосочетание ― «квантовые технологии». Все об этом слышали, многие об этом говорят, совершенно не понимая, что это такое. Давайте попробуем объяснить, насколько это возможно: чем квантовые технологии отличаются от всех остальных?
― Квантовая физика отличается от классической тем, что в квантовом мире энергия, которой объекты могут обладать, оказывается дискретной. Информация передается порциями света, не непрерывным потоком, а порциями ― квантами. Квантовая физика породила много прикладных направлений. Она объяснила законы, которым подчиняется твердое тело: физика твердого тела базируется на квантовой физике. Строение молекул и химические реакции тоже объясняются квантовыми законами. Известно, что уровни энергии, на которых могут находиться отдельные атомы и молекулы, всегда дискретны. Даже полупроводниковые наночастицы твердого тела ведут себя подобно отдельным атомам и молекулам. Их назвали «квантовые точки», но на самом деле это наночастицы размером порядка 10 нм. Они также обладают квантовым эффектом. Маленький кусочек материи обладает квантовым эффектом. На них тоже строится новая физика, новые технологии, которые дают нам совершенно новое устройство и новое качество.
― Может ли выясниться, что квантовый мир ― это не предел минимизации структур и есть что-то еще миниатюрнее, чего мы сейчас не можем зафиксировать?
― Я бы хотел вернуться к размерам: квантовый мир не означает «маленький мир». Например, малые наночастицы полупроводника с размером 10 нм больше размеров атома примерно в 100 раз и больше размеров ядра атома водорода в 10 млн раз ― это очень много. Но квантовые эффекты могут проявляться на разном уровне размеров. Уменьшение размеров кусочка материи означает, что мы идем в малоразмерный мир, но квантовые эффекты сосредоточены повсюду. Крупные тела при определенных условиях тоже могут обладать квантовым эффектом.
― Например?
― Например, в современной микроэлектронике основным элементом в процессорах, в элементах памяти служит полевой транзистор. С развитием технологий размер его затвора постоянно уменьшается, что соответствует проектной норме микроэлектроники. Проектная норма первоначально микронных размеров постоянно снижалась до 160 нм, затем ― 32 нм и сейчас пришли к 7 нм. Одновременно со снижением проектной нормы уменьшается и толщина подзатворного диэлектрика. При определенной малой толщине подзатворного диэлектрика в полевом транзисторе, порядка 10 нм, электронный поток, который через него протекает, может описываться квантовым туннельным механизмом. Элементы полевых транзисторов в процессорах с низкой проектной нормой тоже работают на квантовых принципах, и это в широком смысле слова квантовое устройство.
― Поговорим о некоторых квантовых устройствах, которыми вы занимаетесь, в частности разрабатываете прототип энергонезависимой сегнетоэлектической памяти. Что это такое?
― Энергонезависимая ― это означает, что если вы имеете какой-то чип, где сохраняете информацию, и вы ее отключили от источника энергии, то информация в нем сохраняется. Вот флешка, все пользуются ими. Ее вынули из устройства, и на ней сохраняется и долго хранится информация.
― Фактически это электронная память.
― Да. У флешки сохраняется заряд в определенном состоянии в диэлектрическом кармане. Но флеш-память не обладает радиационной стойкостью. Она имеет конечный ресурс. В зависимости от конструкции это может быть 100 тыс. переключений. Потом она начинает давать ошибки и не работает.
― А радиационная стойкость ― это что?
― Если определенная радиационная частица (быстрый электрон или гамма-квант) попадет в элемент флеш-памяти, она произведет разрушение диэлектрического барьера, который прекратит удерживать заряд, несущий информацию. Память не будет работать. А где много радиации? В космосе, например. Значит, в космосе флешка работать долго и надежно не будет. Точнее, она будет какое-то время жить, потому что попадание радиационных частиц ― это случайный процесс, с определенной вероятностью, но через какое-то время она перестанет работать.
― А ваши сегнетоэлектрические устройства будут?
― В сегнетоэлектрической памяти принцип хранения информации другой. Он состоит не в удержании заряда диэлектриком. Информация хранится в поляризации маленького кусочка диэлектрического вещества в микроразмерном конденсаторе. Оно в электрическом поле поляризуется и после снятия поля сохраняет поляризацию ― это и есть свойство сегнетоэлектричества. Вещество может долго хранить это состояние. Ресурс хранения информации, или поляризации, такого конденсатора очень большой. Он может достигать миллиардов переключений. Ему не страшно локальное повреждение быстрой радиационной частицей. Кусочек сегнетоэлектрика может локально повредиться, но основная его масса будет продолжать хранить поляризацию, то есть хранить информацию.
― Вы уже создали такие устройства?
― Мы их разрабатываем. Здесь мы не одиноки, работаем совместно с ключевыми организациями в области микроэлектроники. Наша головная организация, которая создает новую микроэлектронику, ― Научно-исследовательский институт молекулярной электроники, он далее ставит технологические процессы на основной российской фабрике «Микрон» в Зеленограде. Мы разрабатываем в лабораториях основы технологии элементов памяти и вместе с ними переносим технологию на промышленное оборудование. Далее на фабрике будет организовано массовое производство чипов памяти.
― Иначе говоря, скоро можно будет пойти в магазин электроники и купить такое устройства вместо привычной флешки?
― Мы уверены, что так будет. У каждого нового устройства есть период развития. Первоначально это будут не очень емкие чипы памяти, не с гигабайтами, существенно меньше. Принципы хранения памяти будут совершенствоваться, будут создаваться все новые устройства с большей памятью. И постепенно, я уверен, мы как научная организация будем способствовать тому, что создадим новое поколение памяти. Это первый шаг, который мы делаем. Сегнетоэлектрическая память будет развиваться.
Но мы работаем и с другими концепциями памяти, которые основаны на изменении резистивного состояния материала, что тоже очень перспективно. Это будет позволять создавать более емкие чипы памяти. Мы видим программу развития примерно до десятилетия, мы сконцентрировались на этих устройствах памяти, будем их развивать и совершенствовать, выводить на широкий рынок.
― Поговорим о проекте по созданию твердотельных фоточувствительных элементов на основе коллоидных квантовых точек. Вы уже сказали про квантовые точки. Что это такое?
― Речь идет вот о чем. Фотоприемное устройство ― один из видов широкого семейства, которое называется «оптоэлектронные устройства». «Фотоприемное» означает, что оно принимает свет и создает электрический сигнал. Есть обратное устройство. Например, дисплей на любом мобильном телефоне, мониторе компьютера ― это устройство, которое преобразует электрический сигнал в изображение, в свет. Они разрабатываются по близким технологиям, но их оптимизация и настройка происходят разным образом.
Интересны еще два типа оптоэлектронных изделий: солнечные батареи ― это тоже фотоприемное устройство, оно преобразует солнечную энергию света в электрическую энергию. Сигнал несет не информацию, а энергию. Есть еще различного типа оптоэлектронные сенсоры. Они получают информацию об объекте в виде света и преобразуют ее в сигнал, далее устанавливается связь оптического сигнала со свойством объекта.
Например, качество продуктов питания. «Смотришь» на него сенсором, получаешь информацию в виде электронного сигнала и знаешь, хорошее качество или нет. Такой оптоэлектронный прибор дает информацию о состоянии качества продукта. Все эти четыре вида оптоэлектронных устройств в настоящее время создаются на новых физических принципах. Ранее эти чувствительные структуры, которые принимают излучение или генерируют его, формировались широко распространенными методами напыления тонких слоев и литографией.
А в последние годы научный мир придумал совершенно новый подход: формировать фоточувствительные слои не напылением, а путем укладки ряда наночастиц, чувствительных к излучению, причем в таком технологическом процессе не требуется литография.
― Эти частицы и называются квантовыми точками?
― Да, это маленькие кусочки полупроводникового материала. Они укладываются в стройные ряды между рядами других наночастиц, это вспомогательные переходные проводящие электроны слои. Такой «слоеный пирог» из наночастиц определенных типов технологически формировать гораздо проще и экономичней, чем методом напыления и литографии.
― Почему так?
― Методы напыления ― это вакуумные технологии, использующие дорогостоящее оборудование, причем для формирования многопиксельных устройств эти методы должны быть дополнены методами литографии. А укладка тонких слоев наночастиц делается методами либо спин-коутинга (нанесение тонкого слоя на центрифугах), либо чернильной печати наночастицами на принтерах. Эти процессы реализуются в чистой газовой атмосфере и не требуют вакуумного оборудования.
― Какими именно принтерами?
― Например, используются струйные принтеры, наподобие офисной техники. Для этого создаются специальные индустриальные принтеры, которые надежно работают и могут формировать слои из разных наночастиц. Когда вы печатаете офисным струйным принтером, там есть разноцветные чернила, которые при смешивании дают любой цвет. Это RGB-технология. А для печати функциональных микроструктур вы заряжаете в «чернильницы» такого принтера чернила из разных частиц, например квантовые точки, частицы промежуточного слоя, оксида цинка, частицы серебра, и печатаете разные слои ― полупроводящие, проводящие и диэлектрические. Это выходит существенно дешевле. И еще возникают преимущества из физических принципов функционирования таких оптоэлектронных устройств, которые связаны с тем, что некоторые устройства, получаемые методами напыления и литографии, могут работать только с охлаждением, а устройства на квантовых точках охлаждения не требуют.
― Каким образом это можно использовать для приборов ночного видения?
― Организации, которые занимаются приборами ночного видения, это знают. Мы разрабатываем эти технологии для оптоэлектронных устройств. Формируя такие функциональные слои, мы заставляем структуры вырабатывать или преобразовывать оптический сигнал в электрический или наоборот.
― Когда я читаю о приборах ночного видения, у меня сразу возникает представление, что, может быть, в недалеком будущем мы будем оснащены такими приборами и сможем видеть в темноте, как кошки. То есть благодаря таким разработкам у нас появится новая сверхспособность.
― Возможно, это будет именно так.
― У вас разработки одна интереснее другой. А что представляет собой однолучевой оптический литограф?
― Литография ― очень важный процесс и инструмент, с которым связано создание в электронике современных устройств, любых чипов, которые формируются из множества полевых транзисторов, межсоединений, функциональных слоев. Без литографии не делается ни одна микросхема. Безмасковая оптическая литография очень актуальна для исследований. Когда ясно, что нужно создать какое-то конкретное изделие, его конструкция понятна, есть ее проект, его отладили и он работает, тогда делают набор шаблонов под эту микросхему и с помощью литографии засвечивают большую пластину, на ней создают структуру транзисторов уже на большой фабрике.
Литографический процесс сам по себе не работает, он засвечивает специальное вещество, которое называется «фоторезист». Например, нанесли какое-то напыление, пленку на пластину, на которой нужно из материала этой пленки построить определенный рисунок. Там может быть миллиард элементов. Сначала эту пленку из функционального материала закрывают фоторезистом ―веществом, в котором при облучении светом происходят какие-то химические превращения. Например, в том литографе, который мы разрабатываем, полимеризуется фоторезист. А там, где свет не попал, остается жидким. Потом смывается все, что не полимеризовалось, и рисунок остается только в тех местах, где произошла полимеризация.
Полимеризация под действием света производится таким же образом, как мы с вами лечим зубы, когда доктор ставит светополимерные пломбы: сначала кладет мягкое вещество, а потом светит ультрафиолетовой лампой и пломба отвердевает. Там тоже применяется некий аналог фоторезиста.
― Но почему рисунок остается только в нужном месте?
― На пластине остается только полимеризованный рисунок. После этого убирают химическим травлением те места, где открыта нанесенная пленка из функционального материала. И получается рисунок только в том месте, где лежал фоторезист. А потом этот фоторезист удаляется и строится следующее напыление. Так выращивается структура. Для того чтобы сделать один функциональный слой, нужно провести несколько операций. И важнейшим элементом в этих операциях служит литография. Она задает минимальный размер элемента, который можно получить.
― Какой же это размер?
― Минимальный литографический размер элемента определяет качество этого литографа. Сколь малый элемент можно получить таким литографом, говорит о том, насколько хорош литограф. Мы разрабатываем однолучевой оптический литограф для научных исследований, который может иметь проектный масштаб до 100 нм.
― Это мало?
― Это не очень маленький размер. Но для очень многих задач, которые стоят в микроэлектронике, в фотонике, это очень нужное устройство.
― Что оно дает практически?
― Его возможно применять в литографии для микроэлектроники, рисовать на пластинах заданный рисунок. А еще у него есть трехмерная версия, когда в объеме фоторезиста он может создавать пространственную структуру из оптически прозрачного полимера. Этот оптический материал конструируется из вещества фоторезиста. Там, где прошел лазерный фокус литографа, фоторезист полимеризуется. И если мы заполнили некую емкость фоторезистом на определенную глубину и рисуем в ней определенный трехмерный объект с помощью лазерного фокуса, там, где прошел лазерный луч, остается заполимеризованное оптически прозрачное вещество. Эта архитектура оптически прозрачного объекта может быть, например, набором микрообъективов, фотонной межкристальной структурой или элементами фотонных интегральных схем для фотонных вычислителей.
― Среди ваших разработок есть также принтер плазмонных наноструктур. Что это за разработка, чем он отличается от известных всем принтеров?
― Существуют направления формирования принтерами тонких фоточувствительных слоев в оптоэлектронных устройствах. Принтерами можно печатать массу других устройств. Можно печатать индуктивные, активные, резистивные элементы микроэлектроники. У них проектная норма будет измеряться не нанометрами, а микрометрами. Но есть большое разнообразие простых микроэлектронных устройств, которые нужны людям, и их можно изготавливать таким дешевым образом.
Почему печатать устройства выгоднее и дешевле, нежели делать литографию? В литографии для создания одного слоя нужно провести несколько операций. А в процессе печати один слой делается за одну операцию.
― То есть литография выгоднее напыления, но такая печать выгоднее литографии?
― Литография работает вместе с напылением. Она из напыленной пленки позволяет делать рисунок. Здесь нужно сделать несколько операций. А методом печати этот рисунок изготавливается за один проход. Определенное вещество подается через сопло диаметром потока, скажем, 10 мкм, и рисунок шириной 10 мкм можно сделать принтером. В настоящее время технологи стремятся уменьшить этот размер.
― Поэтому и наноструктуры?
― Да. Поскольку рисунок делается из частиц, говорят «наноструктуры с частицами».
― Но почему мы называем этот принтер плазмонным?
― Он может печатать рисунок не просто определенными частицами ― он может создавать рисунок из частиц фиксированного размера. Например, из металлических частиц фиксированного размера. Этот размер он может изменять: напечатать частицами с размерами 50 нм, 100 нм или 300 нм. А чем интересны эти частицы? Тем, что в оптоэлектронных устройствах есть понятие «плазмонное усиление». Если вы нанесете такие частицы рядом с активным слоем, который улавливает излучение, то плазмонные частицы концентрируют электромагнитное поле как усилитель (подобно усилителю в радиотехнике), и оптоэлектронное устройство становится эффективнее в несколько раз. У этого принтера есть опция: он может создавать такие структуры. Поэтому мы его и назвали принтером плазмонных структур.
― Такой принтер уже существует?
― Мы его разрабатываем.
― А есть что-то в вашем институте, что уже работает?
― Мы работаем всего полгода. Но это не означает, что мы родились всего полгода назад. Просто институт реально был создан на базе уже имеющегося на Физтехе задела из прикладных и поисковых лабораторий, которые двигались в этих направлениях, в том числе создавали и создают сейчас сверхпроводниковые квантовые процессоры. Все эти лаборатории после определенного осмысления было принято решение собрать вместе, объединить в единую структуру, чтобы общими усилиями эти подразделения могли не просто создавать отдельные процессы и устройства, а объединяться и делать совместно готовые продукты, а затем передавать их в производство.
У нас есть направление «наноэлектроника» ― это различные концепции памяти, мы их разрабатываем и планируем передавать дальше. Затем есть направление «квантовые системы» ― это сверхпроводниковые квантовые процессоры, устройства на квантовых точках, различная фотосенсорика, фотоприемные устройства. Следующим шагом в этом направлении мы планируем заниматься дисплеями. И третье направление ― это научное оборудование, которое нужно для микроэлектроники, для задач создания квантовых устройств. Мы разрабатываем такое оборудование, которое и сами можем использовать. Мы хорошо понимаем это оборудование. Таким образом, разработка научного оборудования связана с другими направлениями.
А в целом, чтобы завершить чип памяти или другое устройство и предложить какому-то заводу: «Все, технология готова, можете забирать», ― для этого мы на Физтехе задумали и проектируем в настоящее время опытный технологический центр, который называется «Специализированный технологический центр гибридной микроэлектроники».
― Или, иначе говоря, «университетская фабрика».
― Совершенно верно. Это опытный участок, где будут технологические цепочки, подобные тем, которые стоят на больших фабриках. На них мы будем отрабатывать процессы, а потом передавать на большие производственные фабрики.
Зачем это нужно? В микроэлектронике по-другому не бывает. Ни одна индустриальная фабрика не возьмет процесс из лаборатории. Нужно, чтобы процесс был обкатан на технологической линии, потому что там возникает множество разных ошибок. Их нужно исключать, процессы отлаживать, только после этого можно ставить на производство, потому что на больших фабриках экспериментировать очень дорого.
― Виктор Владимирович, недавно мой младший ребенок произнес термин «квантовое бессмертие». Что это такое в вашем понимании? Может быть, квантовое бессмертие ― это то, что остается после нас в виде статей, книг, учеников? То есть информация, память, о которой мы говорили.
― Я думаю так: человечество вступает в новое качество, переходит в информационный мир, основанный на квантовых технологиях. Скоро мы будем жить в потоке информации, и то хорошее, что человечество будет создавать, сможет храниться в облаке информации. И человечество будет этим пользоваться. В этом смысле ваш ребенок безусловно прав: квантовое бессмертие не за горами.
