Перспективные пути отечественной физики. «В мире науки», № 7–8

Острая необходимость создавать отечественную высокотехнологичную продукцию ставит перед российскими физиками новые задачи. Это касается медицинской техники, микроэлектроники, космических разработок и квантовых технологий. Прикладные проекты, над которыми работают в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, могут в перспективе заполнить технические пустоты отечественной промышленности.

Каким проектам физики уделяют сегодня особое внимание? Что мешает запускать отечественные технологии в массовое производство? Стоит ли ждать в больницах российские аппараты МРТ? Могут ли квантовые компьютеры в будущем появиться в квартирах? Об этом — в интервью с директором ФИАН, членом-корреспондентом РАН Николаем Николаевичем Колачевским.

— Сложилась ситуация, в которой России как никогда нужны свои технологии и разработки. На какие проекты и направления в нынешних условиях делают особенный упор в ФИАН?

— Мы оказались в сложной, но интересной ситуации: производство отечественной наукоемкой продукции сейчас наиболее актуально. Не хотелось бы попасть в тот же капкан, что и в 2014 г., когда было четкое понимание, что необходимы собственные технологии, но в результате восстановления логистических цепочек актуальность этой задачи утихла. Сейчас нам нельзя оказаться в той ловушке: без собственных разработок уже не получится уверенно двигаться вперед.

Понятно, что мы не сможем заменить абсолютно всю продукцию отечественной: например, трехнанометровые технологии полупроводников, скорее всего, в ближайшее десятилетие будут нам недоступны. Но это не значит, что микроэлектронной промышленностью не стоит заниматься совсем. Это же касается и других направлений.

В ФИАН всегда около половины исследований ориентированы на прикладные разработки, но их внедрению часто препятствует так называемая долина смерти. Подобная ситуация складывается, когда академические институты, в частности ФИАН, доводят технологию до определенного уровня готовности, например четвертого по шкале Technology Readiness Level: это значит, что готов действующий образец, который мы можем продемонстрировать в работе. Но в итоге в серийное производство разработка не идет — этим должны заниматься другие люди: технологи, инженеры, менеджеры. Я говорю о том, что «сделать бургер» и «продать бургер» — две совершенно разные задачи.

ФИАН разрабатывает новые технологии в различных направлениях. В медицинской области это магнитно-резонансный томограф, комплекс протонной терапии и лазерные системы — то есть устройства для диагностики заболеваний, лечения раковых опухолей и заболеваний глаз.

Кроме того, мы занимаемся микроэлектроникой. Эта область сейчас особенно востребована, я считаю, что ее надо выводить в приоритет. Уже открываются новые лаборатории, и чем больше умов начнет думать в этом направлении, тем вероятнее получить какие-то нетривиальные решения.

ФИАН тоже подключен к этой работе — мы занимаемся созданием инфракрасных детекторов и различных сенсоров.

Необходимо внимательно относиться к собственным научным проектам, касающимся космоса. Это программа «ЭкзоМарс», космические обсерватории «Спектр-М» и «Спектр-УФ» — очень достойные проекты, которые надо развивать. Если споткнуться сейчас, то в ближайшие годы у нас будет серьезный дефицит научных космических миссий.

Список существующих задач можно продолжать и продолжать. Это высокотемпературная сверхпроводимость и новые материалы. Много говорят о квантовых технологиях: квантовые вычисления и квантовая сенсорика — это работа с базой знаний, которую заложили наши отцы-основатели академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров. Но мы уже не просто исследуем атомы, молекулы и делаем спектроскопию, а пытаемся использовать результаты для практических задач: элементарных вычислений или регистрации полей.

— Насколько плотно лаборатории различных направлений связаны и часто ли взаимодействуют?

— Конечно, многие разработки завязаны друг на друга. Есть инфраструктурные связующие проекты, такие как микроэлектроника. Сегодня практически в любой области науки и технологий нужны аналого-цифровые или цифро-аналоговые преобразователи, микроконтроллеры, мелкая электроника. Это можно сравнить с хлебом, который мы так или иначе регулярно употребляем.

Мы всячески поощряем взаимодействие отделов внутри института, и это приносит результаты. Кроме того, совместная работа важна для студентов. Когда человек начинает работать в нашем институте и по каким-то причинам хочет поменять область исследований, ему не нужно переходить в другую организацию — достаточно поменять лабораторию и научного руководителя. Такие ситуации встречаются часто и дают эффективные результаты. Надеюсь, что подобные связи будут укрепляться и дальше.

— На заседании президиума Российской академии наук в конце марта ФИАН заявил о своей разработке аппарата МРТ. Тогда же сотрудник вашего института рассказал, что эта разработка отличается в лучшую сторону от зарубежных аналогов. Расскажите подробнее, что это за аппарат?

— Это был крупный проект Министерства промышленности и торговли по разработке опытного образца МРТ, выполненный нами в кооперации с другими организациями. Мы сделали аппарат с полем в 1,5 Тесла — это золотой стандарт для медицинской диагностики. Аппарат МРТ прошел все медицинские испытания, о нем хорошо отзывались коллеги из Института неврологии.

А затем наступило затишье — то, о чем я говорил в начале интервью: сложилась ситуация, в которой проще закупить аппараты, чем налаживать производство. Теперь в государственно-имиджевом плане важно показать, что мы можем справиться с задачами, направленными на пользу обществу. Под эгидой «Росатома» и «Ростеха», с привлечением организаций РАН формируется крупный проект по производству отечественных магнитно-резонансных томографов.

ФИАН как научная организация может оказать научно-методическое и техническое сопровождение, помочь с программным обеспечением. В обществе востребованы стабильные аппараты МРТ с полем в 1,5 Тесла и хорошим разрешением, желательно достичь уровня аппаратов Siemens.

Второй этап — это развитие аппаратов. Например, возможность избавиться от жидкого гелия с помощью системы замкнутого цикла. На заседании президиума РАН в марте мы говорили именно о такой машине. С томографами, которые могут функционировать без заливки жидкого гелия, проще работать в регионах и полевых госпиталях, где могут быть проблемы с доставкой охлаждающего вещества. С другой стороны, гелия в России хватает и, я надеюсь, дефицита в ближайшее время не возникнет.

Еще одно важное направление — создание небольших мобильных аппаратов МРТ. У них может быть не такое высокое разрешение, как у стационарных устройств, но их можно использовать вне помещений, например установив на базу грузовика. Это важно во время техногенных катастроф или автомобильных аварий, когда необходимо понять, везти ли пострадавшего срочно в НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского или можно оказать помощь в местной больнице.

— Насколько мы сегодня близки к созданию таких аппаратов?

— Все, что я перечислил: и классические полуторатесловые аппараты, и безгелиевые, и мобильные установки, — уже создано в России в виде опытных образцов. Одна из машин стоит в ФИАН, ее можно запустить и сделать снимок.

Но сейчас стоит вопрос их тиражирования, для которого в том числе нужно решать вопросы кооперации и импортозамещения. Для производства аппаратов МРТ, работающих без гелия, нужна сложная охлаждающая система компрессоров замкнутого цикла. Это смесь вакуумной системы с системой высокого давления. Подобные устройства разрабатывают в Омске, но они предназначены для других задач, поэтому их мощности недостаточно для наших целей. То есть для тиражирования безгелиевых томографов нужно пройти еще довольно длинный путь, хотя контакт с коллегами уже налаживается.

При создании классических аппаратов МРТ с полем в 1,5 Тесла могут быть определенные сложности с электроникой. Магнитно-резонансный томограф регистрирует сигналы с помощью приемных катушек на частотах в сотни мегагерц. Необходимы микроконтроллеры и высокочастотные преобразователи — надо понимать, что мы не сможем сделать 100% необходимой электроники в стране, ее нужно закупать. И параллельно вести свои разработки.

— Какие задачи в области медицинской техники кроме создания аппаратов МРТ нужно сегодня решить?

— Сейчас в рамках крупного проекта Министерства науки и высшего образования РФ стоит задача по синхротронным исследованиям. Это протонная терапия онкологических опухолей.

Ускоритель разгоняет пучок протонов и направляет его в человеческое тело. В зависимости от энергии пучок останавливается на определенной глубине в теле, выжигая опухоль без хирургического вмешательства, причем в сложнодоступных участках организма: голове и шее. Это известная разработка, таким методом не первый год лечат пациентов в Медицинском радиологическом научном центре им. А.Ф. Цыба в Обнинске.

Наш институт развивает эту технологию. В частности, необходимо научиться лечить опухоли не только в голове и шее, но и во всем теле. Кроме того, есть множество нерешенных научно-медицинских задач: исследования реакции опухоли на воздействие протонов; взаимодействие альфа-частиц с человеческим телом и опухолями; увеличение эффективности лечения раковых опухолей с помощью одновременно применяемых методов терапии.

Это важная задача государственного масштаба, и одна из целей десятилетия науки и технологий — создание комплекса протонной терапии в Москве. Несмотря на большое население и несколько крупных онкологических центров, протонных установок в Москве нет, пациентам приходится ездить в Обнинск, Санкт-Петербург и Димитровград. Мы планируем установить комплекс на территории института, для этого уже освободили здание.

Мы рассчитываем, что в какой-то момент начнется тиражирование центров протонной и ионной терапии в стране, этот тренд ярко прослеживается в ведущих странах мира. Понятно, что это не уникальный метод терапии раковых опухолей, но именно сочетанное воздействие, например химиотерапия и протонный подход, часто дает очень хороший результат. Если 20 лет назад онкологический диагноз был чрезвычайно тяжелым для человека, то сегодня увеличить срок и качество жизни — вполне реальная задача. Медицина очень серьезно изменилась в этой области, и ФИАН тоже внес свой вклад.

— Другая популярная сегодня тема — это квантовые технологии и создание квантовых компьютеров. Объясните максимально просто, так, чтобы понял каждый человек, что такое квантовый компьютер и какие задачи он должен решать?

— Просто объяснить можно, но это будет достаточно примитивное определение. Дело в том, что у квантовых эффектов нет прямых механических аналогов. Мы живем в ньютоновском мире: шарики, пружинки, силы, ускорения... Объяснить квантовые процессы максимально просто — это значит объяснить их в терминах ньютоновской механики, что будет не совсем корректно.

В классических компьютерах мы подаем команды, которые за счет гигантской тактовой частоты, достигающей десятков гигагерц, последовательно обрабатываются: один-ноль-ноль, один-один-ноль, один-один-один и т.д. Квантовая система позволяет одновременно подать и обработать несколько таких команд — это то, что называется квантовой суперпозицией. Соответственно, на выходе получается в определенном смысле запутанный результат.

Это нужно для решения многих задач искусственного интеллекта и корреляции. Например, нам нужно найти в интернете изображение кота. В нейросети есть определенный образ кота, нет необходимости изучать изображение попиксельно, система соотносит определенную модель с другими изображениями, ищет связи и в результате выдает фотографию кота. За счет того, что квантовый компьютер может одновременно, а не последовательно обрабатывать данные, задача распознавания, поиска таких корреляций серьезно упрощается.

Если бы 20 лет назад, когда я был увлекающимся физиком и много времени проводил в лаборатории, мне сказали, что можно достаточно просто получать квантовую информацию с единичных атомов, я бы сильно удивился. По тем временам это была фантастика, мы с трудом могли взаимодействовать с облаком атомов, а сейчас их можно выстроить в цепочку. В МГУ выстраивают нейтральные атомы, у нас в лаборатории — ионы. С технологической точки зрения это очень большой прогресс.

— В ФИАН работает единственный в России ионный квантовый компьютер. Какие на нем сегодня проводятся исследования и эксперименты?

— В ионном квантовом компьютере, который стоит в нашей лаборатории, всего четыре кубита. Мы понимаем, что это немного. Квантовые компьютеры, сделанные за рубежом, полноценно работают на 15 кубитах.

Наша задача — до конца года сделать 16-кубитный ионный компьютер, и важно, чтобы он был подключен к облачной платформе. То есть внешние пользователи смогут подключиться к этой системе и выполнить на машине некоторые операции.

Современные классические компьютеры справляются с задачами быстрее, чем квантовые, в которых меньше 20 кубитов. При этом важно понимать, что мощность квантового компьютера экспоненциально растет с количеством кубитов: 21-кубитный компьютер в два раза мощнее, чем 20-кубитный. Поэтому на нашем четырехкубитном компьютере пока нельзя решить какие-то важные прикладные задачи, но уже можно продемонстрировать определенные преимущества квантового вычислителя перед классическим в решении некоторых своеобразных задач, связанных с поиском корреляции. Это исследовательская работа, и я думаю, что в течение десяти лет квантовые компьютеры будут востребованы для решения ряда специфических задач.

— Когда-то и классические компьютеры были уделом исключительно лабораторий и оборонных структур. Никто даже не задумывался, что компьютер будет стоять практически в каждой квартире. Возможно ли, что в будущем появятся персональные квантовые компьютеры?

— В 1970-х гг. шло развитие ламповых машин: как тогда мерялись количеством ламп в устройствах, так сегодня мы меряемся количеством кубитов. А революция произошла, когда, во-первых, был изобретен транзистор, во-вторых, мы перешли с магнитных лент на винчестеры. Размер домена, который требуется для записи бита информации, стал меньше микрометра, и это был существенный прогресс, активно подтолкнувший развитие технологий. Люди понимали, как должен функционировать компьютер, и алгоритмы, работавшие на ламповых машинах, продолжили работать и на транзисторах.

Но научный перелом привел к масштабированию технологии. Подобного перелома мы ждем и в области квантовых вычислений. Конечно, здесь нельзя ничего обещать, но это мировой тренд и очень интересные исследования.

— В России объявлено Десятилетие науки и технологий. Каких открытий в области физики стоит ждать за эти годы и чем уже занимаются в ФИАН?

— Начать надо с электроники — это очень актуальная тема.

Во-первых, это электроника в области сенсорики инфракрасного диапазона. Мы стремимся к тому, чтобы высокочувствительные детекторы спектральных инфракрасных диапазонов работали не только при азотных температурах. Это актуально для целого ряда задач — и гражданских, и оборонных. Второе важное и интересное направление — квантовые сенсоры: гравиметры, градиометры, гироскопы. Мы их совершенствуем: используем новые материалы, повышаем чувствительность и делаем компактнее. Направление, которое ФИАН развивал и продолжит развивать, — это часы на борту спутников ГЛОНАСС.

Развиваться будет и направление мощных лазеров. У нас есть объемный блок совместных с Научным центром физики и математики задач и по лазерному термоядерному синтезу, и по исследованию плазмы. Все-таки в этом году столетие Н.Г. Басова, и на фундаменте, который он заложил в основу лазерных технологий, продолжает строиться большая пирамида.

Отдельно развивается ветка миллиметровой радиоастрономии — исследование центра галактики и черных дыр. В этой области есть огромное количество прикладных аспектов: разработка детекторов миллиметрового диапазона, повышение частоты коммуникации, повышение частоты связи, регистрация паров воды.

В стране нужно создать ионный источник лечения онкологических заболеваний. Работу с протонами ФИАН прошел успешно, сейчас надо развивать технологии. Дело в том, что не все опухоли разрушаются протонами: несмотря на облучение частицами с очень высокими энергиями, некоторые опухоли остаются, но к ионам они более чувствительны. Думаю, что за десять лет мы справимся с этой задачей.

И, конечно, есть мечта о сверхпроводнике, работающем при комнатной температуре. Сейчас рекорд температуры составляет -20° С, но это происходит при давлении порядка миллиона атмосфер. Нам важно понять, можно ли уменьшить это давление: если мы сможем сделать сверхпроводник, способный работать при комнатной температуре, это будет очень существенный технологический прорыв. Может, это фантазии, а может, природа нам что-то подскажет в этом направлении.