Профессор РАН Михаил Глазов: перспективные технологии в современной науке

Просмотров: 1152

IMG 5349 2
Михаил Михайлович Глазов, фото из личного архива

10 мая 2021 г.

В год 60-летия пилотируемой космонавтики нашему журналу дал интервью профессор РАН, член-корреспондент РАН Михаил Михайлович Глазов. Он рассказал про последние технологии в области физики и космонавтики, объяснил, что стоит ждать от квантовых суперкомпьютеров и ответил на вопросы о Больших данных, блокчейне и нано-технологиях.

IMG 5366 2

Михаил Михайлович Глазов – ведущий научный сотрудник сектора теории квантовых когерентных явлений в твердом теле Центра физики нано-гетероструктур Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук в Санкт-Петербурге. Доктор физико-математических наук, член.-корр. РАН.

С 2004 г. Михаил Михайлович совершает регулярные научные поездки в университет Клермон-Овернь (Клермон-Ферран, Франция), Национальный институт прикладных исследований – INSA Toulouse (Тулуза, Франция), университет Регенсбурга (Германия), Технический университет Дортмунда (Германия). Приглашенный профессор в INSA Toulouse (осень 2013 г.)

 

 

 

  – Михаил, в каком направлении двигается современная наука? Расскажите про перспективные технологии, связанные с изучением и освоением космоса?

– В целом нужно сказать, что современные технологии и, в частности, полупроводниковые технологии внесли очень большой вклад и продолжают вносить существенный вклад в освоение космоса. И солнечные батареи, и вся электроника, которая управляет космическими кораблями, и масса исследований, которые проводятся в космосе, например рост кристаллов, – это всё взаимосвязано. Если говорить чуть более широко, то в той области, в которой я работаю, есть несколько горячих прорывных точек. Одно из этих прорывных направлений связано с поиском, созданием и исследованием новых материалов.

– Например?

– Например, всем теперь уже известен графен – атомарно тонкий слой углерода. За него в свое время дали нобелевскую премию Андрею Константиновичу Гейму и Константину Сергеевичу Новоселову – выходцам из России.

Оказывается, что возможно создавать и другие материалы, которые тоже будут атомарно тонкими и похожими на графен, но с совершенно другими физическими свойствами. Такие соединения обладают множеством преимуществ и позволяют, например, упростить процесс создания транзисторов или могут обладать лучшими оптическими свойствами. В данный момент эта область науки очень активно развивается, потому что вы можете взять такой материал, который является относительно безвредным для человека, и попытаться использовать его как маркер для каких-нибудь нехороших клеток, вирусов, бактерий, чтобы их найти и подавить.

Вторая область, которая тоже, как мне кажется, стала активно развиваться в последнее время, и тут как раз чувствуется значительная поддержка со стороны РАН и государства в целом, это область с очень широким названием «квантовые технологии». В неё входит множество различных прорывных направлений физики. Например, одно из них – поиск новых средств обработки информации. В обычных компьютерах бит – наличие или отсутствие заряда или тока, т.е. для реализации бита используется электрический заряд. Но в перспективе возможно создать, например, систему, где в качестве элемента информации используется квантовая степень свободы. Самое простое, что может быть, это спин – собственный магнитный момент электрона. Можно представить электрон как квантовый волчок, причем разные спиновые состояния соответствуют вращению волчка в разные стороны. Оказывается, что вот такие спиновые системы могут обладать преимуществом для обработки информации. Совсем упрощая, можно сказать, что в таких системах можно одновременно выполнить операцию и для спина, направленного «вверх» и «вниз» т.е. сразу и для 0, и для 1. У таких спиновых систем, конечно же, существует и масса недостатков.

До сих пор остается объектом дебатов, в какой мере такими системами можно управлять в реальности, ведь нужно контролировать огромное количество степеней свободы. Но, оказывается, что для криптографии похожие вещи в какой-то степени уже работают. Такие спиновые системы очень хрупкие, но если вам вдруг удалось перехватить какую-нибудь тайную информацию, то об этом обязательно узнает и тот, кто ее передает и тот, кто её получает.

Существует ещё много других интересных явлений, которые тоже относятся к области квантовых технологий. Например, ридберговский атом или ридберговское состояние вещества. Они представляют собой высоковозбужденные состояния материи, которые взаимодействуют особенным, неклассическим образом. Их изучение крайне важно с точки зрения фундаментальной физики. Новые фазы вещества открывают массу новых задач, дают не только новые ответы, но и множество вопросов о том, как устроен наш мир. Применение таких технологий важно и для высокоточных измерений, и для прецизионных датчиков частоты, времени, геопозиции.

– Как это затронет методы анализа и обработки данных в будущем? Методы системного анализа? Большие данные?

– В целом, поскольку я все-таки смотрю со стороны теоретической физики, а теоретическая физика тесно связана и с математикой, и с компьютерными науками, и с программированием, то я уверен, что, конечно же, появление любых новых способов обработки анализа данных, анализа больших объемов данных, открывает важные перспективы. Что касается больших данных, то для некоторых специальных задач сейчас в науках о конденсированных средах, например, всё чаще пытаются применять системы искусственного интеллекта. Мне кажется, что пока что эти усилия не дошли до реального уровня предсказаний, но, тем не менее, ученые пытаются запускать сети искусственного интеллекта на компьютере и обучать их на экспериментальных данных по росту кристаллов, например, и по оптическим спектрам, чтобы потом такие системы искусственного интеллекта можно было бы использовать для создания материи с заданными свойствами.

Еще одно направление, которое действительно очень активно развивается, связано с физическим материаловедением. Если вы хотите создавать новые материалы с определенными заданными свойствами, то, конечно, необходимо уметь предсказывать эти свойства, потому что каждый эксперимент является безумно дорогим. Поэтому экспериментально исследуются только самые перспективные системы. Поэтому требуется огромное количество расчетов для широкого класса химических соединений, для различных кристаллических решеток, для разных связей между атомами или ионами, чтобы выбрать те структуры, которые стоит попробовать синтезировать и исследовать. Для таких задач методы, связанные с тем, что теперь называется Big Data, очень важны.

– Как Вы думаете, скоро ли появятся квантовые суперкомпьютеры?

– Я бы хотел отшутиться на этот счет. Известна шутка про перспективы управляемого термоядерного синтеза. Академика Льва Андреевича Арцимовича спрашивали, когда же появится управляемый термоядерной синтез. Он ответил, что через 25 лет. Через 25 лет его спросили снова. Он говорит: «Через 25 лет». Но когда ему напомнили про предыдущий его ответ, то он сказал: «Моя точка зрения не поменялась». Лично мне кажется, что, если речь идет об универсальном квантовом компьютере, то он, скорее всего, не появится никогда.

– А с чем это связано?

– Это связано с некоторыми фундаментальными ограничениями, которые теперь стали относительно понятны. По сути, вам нужно с высочайшей точностью контролировать безумное количество степеней свободы, например, 1010 или 1023. Причем так, чтобы при этом не происходило или почти не происходило ошибок. И в этом смысле создание такого универсального устройства, которое бы заменило персональный компьютер, как мне кажется, оно просто недостижимо. Что же достижимо тогда? Для некоторых конкретных задач квантовые симуляторы могут оказаться очень полезными.

– Можете привести пример?

– Скажем, вам нужно найти основное состояние для какой-то сложной квантово-механической системы. Допустим, основное состояние для расположения атомов в какой-то решетке: у вас имеются определенные атомы с определенным взаимодействием между ними и необходимо понять в какую решетку они упорядочатся. В принципе, можно было бы провести реальный эксперимент, взять эти атомы, подождать как они упорядочатся, посмотреть. Но можно действовать иначе – воспользоваться квантовым симулятором. То есть можно будет найти какую-то другую квантовую систему, гамильтониан которой соответствует гамильтониану интересующих нас атомов. Ну или по-простому – уравнение движения которой соответствовало бы уравнению динамики атомов, но может быть, при этом, с какими-то другими «перемасштабированными» параметрами. Так что эта квантовая система значительно быстрее придёт в свое нужное основное состояние, и мы по основному состоянию этой квантовой системы сможем уже узнать о том, какое состояние будет реализовано в интересующей нас системе атомов. Такое в относительно долгосрочной перспективе, скорее всего, появится.

Что касается того, что появляется сейчас, то я уже упомянул систему защищенной передачи данных. Это делается, в частности, с использованием пар запутанных фотонов. Вы берете два фотона, то есть два кванта электромагнитного поля и, как говорят специалисты в этой области, запутываете их. Создаете специальное квантово-механическое состояние этих двух частиц. Если вы измерите состояние одной частицы, как, например, поляризацию этого фотона или частоту этого фотона, то вы обязательно будете знать, что произошло с другим фотоном. Ну а дальше это уже дело техники. Нужен источник, нужно пустить фотоны по линии передачи, нужен приемник – работа над всем этим уже активно ведется. Наш институт тоже участвует в этом. Мои коллеги экспериментаторы и технологи умеют делать очень хорошие источники фотонов либо одиночных, либо пар запутанных фотонов на полупроводниковых наноструктурах. Такие устройства, я думаю, можно даже уже купить.

– А в блокчейн технологиях тоже возможен какой-то прорыв с приходом этих технологий, как Вы думаете?

– Если вы используете элементы, которые требуют криптографии или защищенной передачи данных, то использование таких вот пар фотонов, о которых я говорил ранее, или одиночных фотонов с определенными свойствами будет возможно. Это будет работать, причем довольно просто. И мне кажется, что такие системы уже есть на уровне прототипов устройств.

Есть масса других применений, связанных не только с безопасностью. Например, вы хотите вывести исследовательскую станцию/зонд/спутник на орбиту, либо отправить к далекой планете. Значит нужно обеспечивать не только надежную связь, но и нужно же обеспечивать этот космический аппарат энергией. Вот здесь я хотел бы вспомнить про солнечные элементы, потому что солнечная энергия есть более-менее повсюду, и ее относительно просто получить. Полупроводниковые технологии и нанотехнологии позволяют сейчас сильно продвинуться в области солнечной энергетики. Солнечные батареи, разработанные нашим институтом, используются на космических станциях. И, конечно, не только в космосе! Здесь тоже есть место и прикладным исследованиям, и таким более фундаментальным вопросам, как, например, а какой есть предел КПД, который возможно достичь? Можно ли получить КПД близкий к 100% или есть фундаментальные ограничения, которые КПД снижают до 20 или 50%? Наша наука ищет ответы и на такие вопросы в том числе.

Беседовал Дмитрий Уваров

Печать

Joomla SEF URLs by Artio