В нашем проекте «Где рождается наукоемкий бизнес?» ученые в своих лабораториях рассказывают о перспективных исследованиях, разработках и их технологическом применении в различных сферах бизнеса. В этом выпуске беседа проходит кандидатом физико-математических наук, руководителем группы «Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника» Российского квантового центра Алексеем Акимовым.
Я закончил московский Физтех и после этого пошел работать в ФИАН, при котором была базовая кафедра, на которой я по советской традиции и остался в той же группе, в которой делал свою сначала дипломную, а потом кандидатскую работу. Тематика, которой мы занимались, — это разная спектроскопия, в основном нелинейных резонансов.
О холодных атомах
Так получилось, что это оказалось близко к тому, чем занимался тогда сначала в Техасе, а потом в Гарварде Михаил Лукин. Мы пересекались на конференциях, и в какой-то момент он пригласил меня в Гарвард, где направление моих исследований сильно изменилось. Хотя эти же нелинейные резонансы исследовались разными группами, они исследовались в совершенно разных направлениях. Если мы делали какую-то спектроскопию и шли в сторону стандартов частоты и точных измерений, то другие, скорее, изучали квантовую память, возможности полного использования частиц для вычислений и другие связанные с этим вещи.
Когда я приехал в Гарвард, то, несмотря на это, заниматься начал вовсе не нелинейными резонансами, а квантовыми точками и серебряными проволоками, что тоже было связано с квантовой памятью и квантовыми транзисторами. И мы достигли вполне конкретного результата. И сейчас это одна из моих наиболее цитируемых статей.
С другой стороны, в ФИАНе, где я по-прежнему частично работал, развивались исследования холодных атомов. Чем-то похожим занимались и в Гарварде, но в связи с проволоками и квантовыми точками. И одним из возможных продолжений этой работы был как раз переход на холодные атомы вместо квантовых точек.
Так у меня возникло второе направление исследований — холодные атомы. Мы пытаемся строить квантовые симуляторы, то есть моделируем твердое тело с помощью холодных атомов.
Есть целый ряд задач, который мы на сегодняшний день не умеем решать. И одним из классов таких задач является расчет материалов. Для ряда материалов, более-менее простых, у нас есть хорошие модели разной степени сложности, которые умеют рассчитывать.
И с помощью этих расчетов можно предсказать, какой нужно сделать материал, чтоб у него были какие-то свойства, или предсказать, какие свойства будут у такого-то нового материала.
О лаборатории
Лаборатория квантовых симуляторов и интегрированной фотоники создавалась специально под меня. Здесь мы, как следует из названия, занимаемся холодными атомами, которые являются квантовыми симуляторами. Сюда же в ближайшее время будут перенесены и исследования по центрам окраски в алмазе.
В активной фазе лаборатория находится с осени 2013 года, когда была установлена существенная часть оборудования, и мы начали заниматься уже серьезными экспериментами. Сейчас у нас есть холодные атомы при температуре в несколько десятков микрокельвинов, и мы строим новый каскад охлаждений, который позволит охлаждать атомы вплоть до температуры бозе-эйнштейновской конденсации.
Для того чтобы произвести лазерное охлаждение, нужно сделать не так уж много: включить лазеры, выставить на них правильные частоты, включить магнитное поле, и — вуаля! — вы получаете холодные атомы.
Температура измеряется очень простым способом: вы выключаете удерживающее поле, атомы начинают разлетаться. И в зависимости от того, какая у них скорость, они разлетаются быстрее или медленнее. Именно по этой скорости мы измеряем температуру.
Мы работаем с холодными атомами, но сначала необходимо получить газ, и мы стартуем с кусочка металла, нагреваем до температуры 1000 градусов, а потом охлаждаем практически до абсолютного нуля.
Охлаждение до абсолютного нуля дает возможность делать квантовые симуляторы.
О квантовых линиях связи
Во-первых, мы собираемся исследовать магнитные свойства материалов и возможности конструирования новых видов магнитов. Во-вторых, высокотемпературную сверхпроводимость, возможности формирования высокотемпературных сверхпроводников. Это если говорить о квантовых симуляторах.
Много планов и в исследованиях NV-центров окраски. Планируем делать и оптические ключи, то есть переключать фотоны с помощью фотонов. В последнее время довольно много фокусируемся на сенсорах, на том, чтобы делать датчики, чувствующие магнитное поле, электрическое поле, вращение. Это достаточно компактные вещи, которые можно будет интегрировать в электронику, в том числе в сотовые телефоны, навигационные устройства или в медицинское оборудование.
Сейчас мы разрабатываем несколько прикладных проектов, но все они находятся на разных стадиях реализации. Один из этих проектов — однофотонные источники. Это что-то, что можно будет использовать в скором времени в линиях связи, особенно в секретных. Это то, чем интересуются, например, банки. Речь здесь идет о квантовых линиях связи, которые позволяют использовать свойства одиночных частиц для предотвращения возможного прослушивания переговоров по сети или для того, чтобы засекретить денежные переводы и операции.
Примерно в этом же направлении идет разработка детекторов для одиночных фотонов. Они могут быть использованы как для исследовательских целей, для глубокого понимания квантовой механики, так и для промышленных устройств. В первую очередь в квантовых линиях связи, хотя возможно и более широкое применение.
Широко обсуждается возможность применения однофотонных источников в медицине, но пока это открытый вопрос. Однофотонные источники можно использовать для диагностики различных заболеваний, но будет ли это эффективнее использования лазеров — пока сказать трудно.
Кроме того, у нас есть несколько проектов по разработке сенсоров. Прежде всего сенсоров магнитного поля, сенсоров вращения. Это сенсоры, которые используются в любом телефоне. В сотовом телефоне есть, например, гироскоп, который определяет поворот (датчик угла поворота), но эти гироскопы не очень точные. Мы пытаемся разработать более стабильные во времени гироскопы, параметры которых не дрейфовали бы. То есть для того, чтобы сделать в телефоне или любом навигационном устройстве компас или нечто среднее, что следит в туннеле, куда вам поворачивать, нужны такие датчики. Область их применения очень широкая: эти датчики можно поставить и в самолет для осуществления навигации, и в автомобиль, и в сотовый телефон, и в подводную лодку. Это и различного рода роботы, которым нужно осуществлять движения и повороты. Вплоть до того, что такие датчики можно ставить в мышку для компьютера.
О новых магнитах и левитирующих поездах
Другой проект — это датчики магнитного поля. Здесь мы в основном ориентируемся на медицинские приложения для исследования различных заболеваний или, наоборот, для наблюдений за активностью головного мозга. Эти проекты могут быть интересны как медицинским учреждениям, так, например, и производителям автомобилей. Потому что есть такая фантастическая идея, что можно построить датчики, которые могли бы позволить с помощью мысленных команд совершать те или иные действия в той же машине.
Что касается проекта по квантовым симуляторам, то у него более далекие перспективы. Если мы разработаем высокотемпературную сверхпроводимость или научимся делать магниты из исходных немагнитных материалов, то это будет иметь очень большое значение. Особенно если начнется массовый переход на электромобили, в связи с чем резко возрастет спрос на магниты.
Если научимся делать высокотемпературные сверхпроводники, то придется меньше платить за электричество, что почувствует каждый. Могут появиться левитирующие поезда или новые датчики, которые сейчас мало используются в медицине по причине очень высокой стоимости.
К нашим исследованиям проявляют интерес коммерческие компании, Samsung, LG, НТ-МДТ, ряд других производителей, но серьезного контракта у нас пока нет.
Напрямую мы работаем только по детекторам с компанией Scantel. Речь идет об однофотонных детекторах нового поколения. Они уже занимаются этим направлением и будут продавать то, что мы с ними делаем.
Кроме того, по однофотонным источникам мы работаем со стартап-компаниями, у которых пока нет серьезного бизнеса, но тем не менее это вполне себе коммерческий проект, который имеет свое финансирование, независимое от нас, и который тоже старается эти однофотонные источники продавать.
