«На Нобелевскую премию я не претендую!»

Беседа с Ильей Родионовым, директором совместного исследовательского центра НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН) на базе ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Совместный исследовательский центр НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» - ключевая площадка научных и инженерных открытий, обеспечивающих прогресс России в квантовых технологиях, нанофотонике, биотехнологиях и перспективных специальных разработках.

Илья Анатольевич, НОЦ ФМН всего 4 года, но достигнутые результаты уже бьют рекорды и являются ориентиром для мировых и российских R&D центров. Над чем вы работаете сегодня?

Мы приближаем будущее. Создаем принципиально новые технологии для инновационных устройств и систем, которые уже очень скоро кардинальным образом изменят жизнь человека. Наши исследования ведем по четырем стратегическим направлениям: квантовые технологии, нанофотоника, биотехнологии и микромеханика. А это фундамент для наших сегодняшних практических разработок прототипов квантовых компьютеров, микрофлюидных лечебно-диагностических комплексов нового поколения, биосенсоров и газовых детекторов c чувствительностью до одной молекулы, источников и детекторов одиночных фотонов. И очень важно, что сегодня эти технологии мирового уровня стали доступны российским ученым и разработчикам на базе нашего технологического центра.

Квантовый компьютер мы обсудим позже, а пока, пожалуйста, расскажите подробнее о нанофотонике и достижениях в этой области. 

Чтобы мой ответ был максимально понятным, давайте вспомним, как развивалась микроэлектроника и с какими ограничениями она сегодня сталкивается.

Закон Мура?

Конечно! Согласно ему, количество транзисторов в процессоре удваивается каждые полтора-два года. Работа и вычисления в классических процессорах сегодня построены на основе носителей зарядов – электронов. Они имеют ограниченную подвижность, минимальные размеры транзисторов лимитированы, а принципы их работы приближаются к своим физическим пределам, что накладывает ограничения на скорость вычислений. Количество транзисторов в современном процессоре размером один квадратный сантиметр сегодня уже превышает 1 миллиард. Задаю вопрос – что будет дальше после микроэлектроники? Какие еще потенциальные носители существуют, с которыми можно работать?

И ответ очевиден – это фотоны. Их использование дает колоссальное преимущество, включая возможность передачи информации со скоростью света. Но есть существенное физическое ограничение – используемые для управления фотонами элементы микросхем должны быть сопоставимы по размеру с их длиной волны. А это размеры близкие к микрометру, то есть в тысячу раз больше размеров транзисторов. Представьте себе микросхемы размером десять на десять метров! Поэтому работать хотелось бы всем с фотонами, а управление построить посредством элементной базы с нанометровыми размерами. Такие инструменты потенциально могут быть созданы на основе явления плазмонного резонанса. Плазмоника – одно из направлений нанофотоники, которое бурно развивается в мире последние 15 лет и позволяет связать свет, падающий на границу металл-диэлектрик, с возникающими плазмонными поверхностными волнами. А этими плазмонными волнами можно эффективно управлять при помощи структур с нанометровыми размерами. Наши проекты в области плазмоники – это как раз попытка найти решения сложных вопросов создания новых биосенсоров, нанолазеров, элементной базы для квантовых коммуникаций и вычислений.

Главное ограничение на пути создания и массового внедрения устройств плазмоники сегодня – это большие потери в плазмонных металлах. Чтобы его преодолеть, наши ребята разработали ряд технологий, не имеющих аналогов в мире. Одна из них – технология новых материалов SCULL, позволяющая «выращивать» совершенные пленки плазмонных металлов с рекордными минимальными потерями. Эта разработка уже позволила нам создать материалы с самыми выдающимися плазмонными свойствами. Благодаря этому впервые за 60 лет была продемонстрирована теоретически предсказанная длина распространения плазмонных волн на поверхности серебра.

Какие перспективы открываются благодаря новым материалам?

На базе наших технологий созданы сразу несколько биосенсоров с рекордной чувствительностью к разным биологическим маркерам и модельным молекулам. Например, один из разработанных сенсоров может распознавать 3 части детектируемого вещества на триллион частей раствора, и это пока непревзойденный показатель.

Все это – направление движения к новой элементной базе. Это попытка соединить процессоры между собой на скоростях, которые существенно превышают текущие мировые достижения, или сделать новый квантовый вычислитель, работающий при комнатной температуре. Это и ключевые элементы для квантовых коммуникаций и биологической сенсорики. И здесь наша цель, как ученых – создать приборы, которые позволят спасать жизни.

Давайте вернемся к одной из самых горячих тем в  научной повестке дня: созданию отечественного квантового компьютера. Чем в принципе квантовый процессор отличается от классического?

Основное отличие квантового компьютера перед классическим в том, что он может параллельно обработать очень большое количество информации. Вспомните, классический бит имеет только одно значение: ноль или единица. Квантовый же бит («кубит») может находиться в состоянии нуля и единицы одновременно (ученые называют это «квантовой суперпозицией»). Колоссальное преимущество возникает, когда мы начинаем оперировать несколькими квантовыми битами, и они начинают работать вместе. Как? Два квантовых бита могут быть «запутаны» – это свойство квантовых систем. Если мы с вами заставим два кубита взаимодействовать (как раз «запутаем»), то получим сразу четыре состояния этой системы (например – 00, 01, 10 и 11). Добавив 3-й кубит, получим единовременно уже 8 состояний, тогда как у классического компьютера так и останется 3. Так при увеличении количества кубитов в системе она может одновременно обрабатывать невероятное количество информации, затрачивая на это доли секунды, что в миллиарды раз быстрее в сравнении с классическим компьютером.

В 1990-х годах было продемонстрировано несколько алгоритмов, которые можно построить на таких квантовых системах. Они показывают ускорение по сравнению с классическим компьютером – ту же самую задачу перебора данных, например, решить в миллионы раз быстрее, чем на обычном классическом компьютере.

23 октября команда Джона Мартиниса из Google опубликовала результат демонстрации квантового вычислительного превосходства. В публикации говорится о том, что специально придуманную разработчиками задачу, с которой классический компьютер справился бы примерно за 10 000 лет, квантовый одолел за 3 минуты 20 секунд. Это результат того, что классическому компьютеру просто «не по зубам» смоделировать квантовую систему, а именно такие необходимо «побороть» при разработке новых лекарств, материалов, источников энергии и т.п.

В сентябре в России заработал первый прототип квантового компьютера, который справился с квантовым алгоритмом перебора. О чем это говорит?

О том, что мы на правильном пути. Бум квантовых вычислений начался именно с демонстрации двух алгоритмов известных теоретиков Лова Гровера и Питера Шора. Квантовый алгоритм Шора предполагает разложение чисел на простые множители, что даст ключ к взлому всех существующих систем шифрования. Алгоритм Гровера – это алгоритм решения задачи перебора. Про big data и поиск по большой базе данных все знают, ведь мы каждый день пытаемся найти информацию в поисковиках типа Yandex. Про важность таких направлений, как шифрование и криптозащита тоже не надо много говорить. У разных стран, бизнеса есть свои «чувствительные» данные, которые останутся секретными даже спустя 5-10 лет. При передаче такой информации ее можно перехватить, но не расшифровать. С появлением квантового компьютера это станет возможно. Именно поэтому многие страны включились в «гонку» квантовых вычислений – у кого появится квантовый компьютер, тот получит абсолютное преимущество над другими.

Это касается и разработки новых лекарств, и новых материалов, включая новые источники энергии. Представьте себе, мы получаем аккумулятор или новый энергетический источник, на порядки превосходящий существующие. Это значит, что мы с вами сможем сделать, к примеру, любые летающие машины, корабли и другие устройства. То, что сегодня режиссеры демонстрируют в фантастических фильмах, завтра может стать доступной каждому человеку реальностью. Просто пока на это все не хватает вычислительных и энергоресурсов. Вы же знаете, существует самолет с вертикальным взлетом, но мы не пользуемся им, как автомобилями в городах. Потому что для этого нужно иметь много дорогостоящего и тяжелого топлива на борту. Если бы топливо появилось у нас в другой форме, то это могло бы стать реальностью, а кадры фильма «Пятый элемент» мы могли бы увидеть за нашим окном.

О каком сроке речь? 5 лет, 20 лет?

На этот счет существуют разные предположения. Некоторые ученые называют срок в 5 лет, другие – в 15-20 лет. Но как мы понимаем, и тот, и другой срок – это очень близко! И если мы сейчас упустим такие технологии, то догнать будет очень сложно.

Более того, до момента, когда мы получим в руки технологию квантовых вычислений, по пути появится масса полезных «побочных» технологий и новых направлений, которые начнут развиваться может даже более стремительными темпами. Тот же транзистор был изобретен и 15 лет «пролежал на полке» в ожидании подходящего применения, после чего появились компьютеры, благодаря которым человечество получило колоссальный прорыв по многим направлениям. Такая же перспектива ждет и квантовые технологии.

Надо четко понимать, что сейчас такого вычислителя нет и до создания универсального квантового компьютера предстоит пройти еще длинный путь. Тем не менее сегодня достигнуты удивительные результаты, которые вселяют большие надежды. Всего за 15 лет параметры этих систем были улучшены более чем в 100 000 раз – сегодня на них уже строят алгоритмы, проводят вычисление простейших задач. Это реальность, которая приближается к нам с каждым годом, а, возможно, и стоит на пороге.

Как ваш центр помогает России участвовать в квантовой гонке?

Сегодня в России мы единственный исследовательский центр, который обладает собственными технологиями производства элементной базы для квантовых вычислений – сверхпроводниковых кубитов. Зайдите в любую R&D лабораторию нашей страны, где ведутся работы по квантовым проектам, и увидите наши чипы. Подчеркну, что почти за 3 года работы нам удалось в 150 раз улучшить качество кубитов. По отдельным параметрам наши технологии не уступают Google и IBM.

Вы упомянули разработку новых лекарств. Как здесь может помочь квантовый компьютер?

Многие корпорации, которые занимаются квантовыми вычислениями, ставят себе одну приоритетную цель – решение задач квантовой химии.

Разработка лекарства – это всегда поиск неких сложных молекул действующего вещества. Чтобы ее просчитать требуется огромное количество вычислительных ресурсов. Сегодня это невозможно, с задачей не справляются никакие суперкомпьютеры.

Квантовый компьютер, а на самом деле квантовый сопроцессор классического компьютера, как раз предназначен для решения таких узкоспециализированных задач. Это означает, что ученые и инженеры смогут посчитать все эти миллионы вариантов, найти оптимум и дальше работать уже над синтезом «понятной» молекулы или вещества. Весь мир хочет найти лекарства от рака, сердечно-сосудистых заболеваний, старости – квантовая машина должна помочь в достижении этой цели.

Медицина будущего обнадеживает! Какие еще разработки вы ведете в этом направлении?

Бионанотехнологиии – наша отдельная гордость, можно сказать, именно с них, с микрофлюидики стартовал НОЦ ФМН. Согласитесь, было бы здорово, если бы капли крови было достаточно для проведения сложного биохимического анализа за несколько минут дома. Или мы могли бы носить в кармане небольшое устройство, которое в режиме реального времени оценивало бы наше состояние. Так вот сегодня мы работаем над созданием платформы лечебно-диагностического комплекса, который решит эту задачу.

Такой прибор должен включать в себя блок подготовки пробы. Вспомните, когда мы сдаем кровь, ее отправляют в лабораторию для дальнейших преобразований: готовят, отделяют ненужные элементы, выделяют плазму. Мы стремимся к тому, чтобы всю эту систему разместить на маленьком чипе размером в несколько квадратных сантиментов. В мире это направление называют “lab-on-chip” или микрофлюидные системы. То есть мы имеем чип с микроканалами, внутри которых можно делать различные преобразования жидкой или газообразной пробы. Начав 5 лет назад, мы уже поставили у себя несколько технологий изготовления таких микрофлюидных лабораторий на чипе.

Их несколько, так как они выполняются из разных материалов (мягкий/ твердый полимер, кварц, кремний) в зависимости от специфики анализируемых веществ. Сейчас мы перешли на самую сложную стадию разработок – работу с реальными биохимическими пробами, а это гораздо сложнее, чем модельные растворы, на которые апробируются прототипы.

Перейдем к самим анализам. Все сенсоры, о которых мы говорили, очень малых размеров. Это дает нам возможность интегрировать их в микроканалы для детектирования тех или иных биологических маркеров. И третье – мы разработали микроэлементы, систему и алгоритмы управления ими, которые позволяют внутри каналов точно задавать температуру и скорости потоков, а значит, дозировать эти вещества. Кстати, в центре мы сами разрабатываем и изготавливаем электронику для наших приборов и разрабатываем собственное программное обеспечение.

Расскажите, пожалуйста, о вашей команде. Кто сегодня работает в НОЦ ФМН?

Молодые ученые и инженеры! Средний возраст наших сотрудников не превышает 27 лет. И, кстати, если инфраструктуру и оборудование для нашего центра мы долго и сложно выбирали по всему миру, то почти все ребята, которые работают в центре – наши воспитанники. Скажу честно, я очень дорожу нашей командой – это особенные люди, заинтересованные, преданные своему делу.

«Бауманка» в целом объединяет молодых людей, которые хотят чего-то достигнуть в жизни и двигаться вперед. Мы сотрудничаем с несколькими профильными кафедрами, и каждый год с третьего-четвертого курса к нам приходят молодые ребята. Сначала здесь они готовят бакалаврские работы, затем магистерские, а потом продолжают исследования в аспирантуре. Ребятам я всегда говорю, что у нас студентов нет, есть наши коллеги – сотрудники, которые учатся на настоящих, «боевых» задачах. Кстати, наши специалисты проходят много зарубежных стажировок – каждый обычно проходит обучение на площадках ведущих европейских компаний. Все ребята проходят многоступенчатую систему обучения работы с нашим оборудованием, в том числе в контакте с производителями и европейскими партнерами.

Мы постоянно ищем таланты (и не обязательно из «Бауманки»!), всегда открыты к сотрудничеству и взаимодействию с ребятами, заинтересованными в науке и высоких технологиях. Отслеживать вакансии можно на нашем сайте http://fmn.bmstu.ru/.

Расскажите, как создавался центр?

Начало было положено в 2013 году, когда родилась сама идея создания НОЦ ФМН, а строительство стартовало годом позже. После 8 лет работы на одном из самых современных микроэлектронных производств России, у меня с коллегами появился ряд интересных идей, связанных с разработкой и технологиями создания устройств на новых физических принципах. Мы пытались найти в России место, где можно было бы их изготовить и затем экспериментально апробировать, но требуемых для реализации технологических возможностей не нашли, хотя объехали практически всю Москву, Санкт-Петербург и их окрестности.

Тогда пришла идея обратиться с нашей инициативой к Анатолию Александровичу Александрову – ректору моего альма-матер МГТУ имени Баумана. На тот момент требовалось около 300-500 миллионов рублей, которых, естественно, ни у кого из нас не было. В результате проведенного кропотливого и очень осмысленного анализа с привлечением ведущих экспертов индустрии ректор нас поддержал, благодаря чему и началось строительство центра. Тогда же мы начали работу с нашим стратегическим индустриальным партнером – ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» – одной из лидирующих организаций госкорпорации «Росатом».

Что было потом?

Началась «гонка» с одной целью – создать все как можно быстрее. И у нас получилось! В мае 2014-го мы начали буквально с нуля строить новейший нанотехнологический комплекс в одном из корпусов Университета. Уже через год завершили создание чистых производственных помещений со сложнейшими инфраструктурными подсистемами, а еще через 3 месяца запустили технологическое оборудование и создали первые макеты с размерами элементов до 10 нанометров (в тысячу раз меньше диаметра волоса человека). По российским меркам – это было сделано экстремально быстрыми темпами, по общемировым – просто быстрыми.

Для реализации центра и его уникальных подсистем мы привлекли 11 ведущих европейских компаний. Основная часть строительства велась в круглосуточном режиме с использованием современного подхода, когда вы проектируете отдельные модули, сложным образом связанные между собой, и тут же начинаете их реализовывать, параллельно проектируя следующие.

Мы создали собственную технологическую линию с учетом лучших мировых практик – посетили и досконально проанализировали более 20 лидирующих нанотехнологических центров Европы, США и Азии. Собирали по крупицам информацию о том, какие технологии востребованы и используют в мире, какое оборудование закупают коллеги – все до последней гайки, словом, перенимали опыт. Очень помогла программа развития Национальных исследовательских университетов, участником которой является Бауманка.

В чем заключаются особенности инфраструктуры центра и как вы подбирали оборудование?

Инфраструктура НОЦ ФМН по сложности превосходит многие известные технологии. Сегодня это 7 инфраструктурных модулей, обеспечивающих функционирование технологического оборудования. Это и особо чистые специальные газы и деионизованная чистая вода высшего качества, уникальные системы виброзащиты, специально разработанные для нас лучшими мировыми компаниями и т.п. Представьте, например, чтобы очистить воду до требуемого качества, создан мини-завод, который занимает целую комнату приличных размеров. В наших технологиях используются десятки спецгазов и химических веществ, чистота которых составляет до 99,9999%, а без всего этого прогресс и инновации мирового уровня в нашей области сегодня попросту невозможны.

Говоря об оборудовании, отдельно подчеркну, что мы тщательно подбирали каждую из установок, проводили экспериментальные «лоб в лоб» сравнения разных производителей. Часто выяснялось, что компании с мировыми именами пишут в своих проспектах совсем не то, что можно получить в итоге.

Сегодня больше половины нашего оборудования не имеет аналогов в России. Я сравниваю сейчас не с вузами, а говорю в принципе и про отраслевые предприятия. Более того, ряд установок, на которых мы работаем, представлены не более чем в 10 экземплярах по всему миру. При этом большая часть машин спроектирована нами специально под спецтребования тех технологий, которые здесь разрабатываются.

Конечно, многое еще предстоит сделать – нам жизненно необходимо дополнительное оборудование и технологии, которые мы запланировали с самого начала создания центра. Это очень дорогие приборы, но есть надежда, что в ближайшее время все задуманное удастся реализовать в рамках реализации Национальных проектов при поддержке заинтересованных госкорпораций, министерств и коммерческих партнеров.

У вас есть профессиональная мечта?

Да, конечно. У меня их несколько, и одна уже даже в какой-то степени сбылась. Вы знаете, когда я понял, что хочу заниматься этим направлением, я был на третьем курсе – обычный студент, который зарабатывал 5 тысяч в месяц, тогда как найти нужно было полмиллиарда рублей! С одной стороны, это казалось неосуществимым, но, как видите, наша команда работает и демонстрирует результаты, которые порой вызывают восхищение зарубежных коллег. Только что вернулся из Японии, где мы одному из ведущих производителей дорогостоящего оборудования (установки по 50 млн долларов) показали наши результаты. Так вот когда они их увидели, были крайне удивлены и спросили: «Вы зачем к нам приехали? Это мы к вам ехать должны!»

А вторая моя мечта – очень хочу, чтобы наша работа приносила пользу нашей стране. Я не мечтаю о Нобелевской премии, но как бауманец, как инженер, хочу, чтобы наши принципиально новые приборы пошли в серию и появились в больницах, на объектах энергетики, системах безопасности, в ведущих исследовательских и вычислительных центрах страны.