В современной науке — курс на междисциплинарные исследования. В области квантовых технологий этот тренд проявляется особенно ярко. Физика, химия, математика и биология — главные предметные области ученых Центра квантовых метаматериалов Московского института электроники и математики (МИЭМ) ВШЭ. О главных направлениях деятельности центра, где изучают возможности создания материалов с заранее заданными свойствами, манипулируя их структурой на квантовом уровне, рассказал его директор профессор МИЭМ Алексей Вагов.

Что такое метаматериалы. Квантовые метаматериалы и сверхпроводимость

Природа дала нам довольно узкий спектр материалов, практически все они известны, а их свойства хорошо изучены. Однако сегодня наука и технологии уже почти достигли уровня, когда мы можем делать материалы практически под любые требования, меняя их структуру и, следовательно, свойства за счет синергетического эффекта сосуществования разных элементов и разной геометрии микроструктуры. Другими словами, мы складываем из материалов, строительных кирпичиков, новый материал, свойства которого часто совсем не связаны со свойствами тех кирпичиков, из которых он сложен. Такие новые материалы называются метаматериалами.

За счет накопления данных постоянно расширяется понимание предмета исследований. Раньше под метаматериалами понимались структуры с определенными оптическими и электромагнитными свойствами. В фокусе внимания сегодня — не только оптические, но и квантовые, механические и даже биологические свойства материалов, рассматриваемые структуры в которых могут быть как упорядоченными, так и совершенно хаотическими.

Исследования в нашем центре связаны с квантовой физикой, и объектом являются те материалы, которые обладают квантовыми свойствами. В первую очередь это сверхпроводящие материалы. Применение сверхпроводников — самый распространенный способ получить квантовые свойства метаматериалов в реальном мире, на нашем, человеческом уровне восприятия, когда речь идет не об изучении поведения отдельных атомов, микрочастиц, а о макроскопическом объеме вещества. Сверхпроводники обладают рядом уникальных свойств, которые определяются их квантовыми состояниями. Этими состояниями можно манипулировать, на них можно воздействовать для создания совершенно новых материалов и устройств, приборов.

Сначала — фундаментальные исследования, технологии — потом

Приступая к исследованию, мы сначала можем лишь предположить, предсказать, какие будут свойства, насколько они будут соответствовать желаемым параметрам, насколько эти свойства будут стабильны. На основании предсказаний ученый составляет гипотетическую дорожную карту для исследователя. Соответственно, на этом пути со множеством неизвестных мы сталкиваемся с обстоятельствами самого разного рода, поэтому в итоге путь всегда оказывается непредсказуемым, но наградой может стать новый материал с нужным свойством. Это и есть стадия фундаментальных исследований, и в первую очередь именно в этом поле мы работаем.

На мой взгляд, сегодня выделяется очень важное направление исследований, которое можно определить как квантовую сверхпроводящую электронику. Можно ли сделать квантовый диод? Ученые отвечают: да, можно. Хотя исследования в этой области до сих пор носят фундаментальный характер, сам диодный эффект, когда внутри прибора в противоположные стороны движутся разные токи, уже продемонстрирован. Следовательно, мы говорим о возможности появления сверхпроводящего диода. Или, например, можно ли сделать сверхпроводящий прибор, в котором ток будет зависеть от приложенного магнитного поля, когда ток управляется магнитным полем? Приложили одно магнитное поле — потек один ток; приложили другое магнитное поле — потек другой. Или, к примеру, зависимость тока от контролируемого света: можно ли говорить о возможности появления преобразователя света в ток? Мы ведем исследования в этих направлениях, но фундаментальных знаний, на основании которых можно было бы говорить о стадии создания применяемой технологии, пока очень мало.

Можем ли мы все это сделать практически или нет — большой вопрос, но мы сейчас вплотную подошли к исследованиям в направлении сверхпроводящей электроники. Что интересно, в наших исследованиях химия и физика становятся, по сути, одним и тем же. «Собрать» материал с заданными свойствами невозможно без химии, а физики должны помочь расчетами, что и как делать. Более того, здесь добавляется еще и биология, поскольку биоматериалы имеют как химические основы, так и физические свойства. Безусловно, в базовых вещах это всё разные науки, но именно в нашей области игра идет совместная. Выражение «биологические функции химического элемента с физическими свойствами» сегодня в ступор никого уже не вводит.

Искусственный интеллект? Разумеется!

Мы в своих исследованиях используем известные методы расчетов, применяемые в квантовой физике. Другое дело, что сегодня расчеты становятся значительно более сложными. Если раньше мы рассматривали простые задачи квантовой механики, то теперь необходимо делать расчеты достаточно точно и для сложных систем. И тут применяется следующий уровень теории — искусственный интеллект. Наши модели необыкновенно усложнились, так что даже один расчет занимает очень много вычислительных ресурсов и времени. Поэтому вместо точного расчета мы строим нейросетевую модель и учим ее: такие параметры приведут к такому-то результату, а другие — к какому-то другому. А затем, обучив, мы просим уже обученную нейросеть предсказать параметры материала, соответствующие его требуемым свойствам. То есть, по сути, получается обратная задача, что особенно важно для исследований в нашей области. Сделать такое могут только технологии искусственного интеллекта, который предсказывает закономерности, исходя из предыдущих расчетов.

Мы такие задачи тестируем, кстати, на аналогиях, никак не связанных с квантовым миром. Например, ставили перед ИИ задачу по уже существующей мелодии воссоздать ноты для инструментов. Здесь есть некоторые тонкости, которые делают эту, на первый взгляд, простую задачу вовсе не простой, музыканты это хорошо знают. У нас даже есть небольшой консорциум на эту тему, в который входят физики, программисты и музыканты.

Какие технологии уже есть. Где здесь МИЭМ

За исследованием следует стадия создания полезной технологии. Это происходит, когда мы способны сформулировать цель технологии, основанной на уже понятных свойствах нового материала. То есть когда мы понимаем, что именно мы делаем. Да, не до конца зачастую понимаем, как именно это надо делать, и тут уже включаются разработчики технологий. Но цель — что делаем? — уже ясна. Такие направления также присутствуют в деятельности нашего центра.

Самое очевидное направление использования сверхпроводников — передача электроэнергии без потерь. Но сегодня спектр практического применения сверхпроводников стал значительно шире. Я бы выделил два основных направления, где исследования достигли того уровня, который позволяет уже сегодня создавать используемые технологии.

Первое направление — все, что связано с созданием квантовых детекторов электромагнитного поля. В самостоятельную отрасль выделилось создание однофотонных детекторов для передачи информации — направление, которое в МИЭМ представлено научной группой профессора Гольцмана. Еще один вид детекторов, применяемых сегодня, — сверхточные квантовые детекторы магнитного поля, которые используются, например, при поиске полезных ископаемых.

Второе направление — применение сверхпроводимости в квантовых вычислениях, именно в этом и смежных направлениях сосредоточено большинство исследований нашего центра. Здесь, в свою очередь, можно также выделить два основных исследовательских трека, где технологии уже есть.

Первый — флюксонные приборы для точного контроля и измерения магнитных полей, когда применяется эффект джозефсоновского контакта. Сверхпроводник разделяется небольшой прослойкой нормального вещества, а возникающий при этом ток называется джозефсоновским, по имени открывшего его ученого. Магнитное поле при этом проникает целыми порциями — квантами, поэтому такие приборы можно применять для квантовых вычислений. Недостаток: такие вычисления являются достаточно громоздкими.

Второй трек — получение и исследование квантовых состояний с топологическими свойствами. Такие состояния получаются, когда сверхпроводники взаимодействуют с другими материалами. В таких системах возникает особый тип квантовых состояний, их еще называют майорановскими, которые топологически защищены, что позволяет сохранять и контролируемо менять характеристики этих состояний и, значит, проводить вычисления.

Компьютеры на флюксониевых элементах с несколькими кубитами уже существуют. Компьютеров с применением майорановских состояний еще нет, но ожидается, что если удастся создать такие процессоры, то их будет относительно легко масштабировать до миллионов кубитов на одном чипе. Компании уже работают над созданием прототипов такого процессора. По сравнению с флюксониевыми кубитами разница — приведу аналогию — как между ламповой и полупроводниковой электроникой.

О партнерах

У нас налажены тесные рабочие контакты с учеными из МФТИ и МИФИ, имеющих инфраструктуру для экспериментальных исследований. Недавно мы начали работать с ОИЯИ (Дубна), где есть уникальные возможности исследования магнитных свойств материалов методами рассеивания нейтронов. Сейчас начинаем программу партнерства с МИЭТ (Зеленоград), где ведется большая исследовательская программа по разработке материалов для электроники. Центр ведет также ряд совместных проектов с учеными других стран, в том числе с исследователями из Бразилии и Китая. В частности, у нас есть масштабный проект по изучению метаматериалов совместно с исследователями из Бразилии (федеральные университеты Рио-де-Жанейро и Риу-Гранди-ду-Сул) и России (ВШЭ, МФТИ и ОИЯИ).

Что касается партнеров из области производства, бизнеса, то здесь есть ряд проблем. Для производства главное — стабильность, надежность и прибыль. В настоящее времямы изучаем возможности сотрудничества с производителями аккумуляторов и солнечных батарей.

О других направлениях: высокоэнтропийные материалы

Еще одно направление исследований — создание высокоэнтропийных материалов (материалов с числом элементов больше 5) для нового типа аккумуляторов. Такие материалы — интересный пример, когда улучшение качества хранения энергии достигается за счет разупорядоченности материала, по сути «грязи». Кстати, наши исследования показали, что часто именно наличие дефектов или беспорядка в структуре материала улучшает сверхпроводящие свойства материалов. Для таких систем вопрос стоит не в том, как сделать ультрачистую структуру, а в том, как создать такую «грязь» в материале, которая улучшит его свойства. Данные исследований показывают, что, возможно, мы стоим на пороге того, что уже в недалеком будущем катоды в ион-литиевых батареях будут заменены на высокоэнтропийные материалы.

Подводя итог, я хочу сказать, что исследование новых типов функциональных материалов, в том числе сверхпроводящих метаматериалов, сейчас актуально как никогда. Этим мы как раз и занимаемся в нашем центре. Задача исследований стоит примерно так: как создать из сверхпроводников новые сверхпроводящие метаматериалы, которые можно на практических уровнях применять в электронике.