Наука и технологии России

Вход Регистрация

Пробки-невидимки

О шапке-невидимке, сверхкомпактных антеннах и городах без пробок нашему корреспонденту рассказал Алексей Устинов. Выпускник Физтеха, в 1996 году он стал первым физиком из бывшего Советского Союза, получившим постоянную должность профессора в Германии. Сейчас возглавляет кафедру и лабораторию экспериментальной физики, а также Физический институт Технологического университета Карлсруэ. В прошлом году ученый выиграл мегагрант Правительства РФ на 150 миллионов рублей и стал руководителем проекта по изучению метаматериалов в специально созданной лаборатории МИСиС.

Алексей_Устинов
Алексей Устинов выиграл мегагрант и стал руководителем проекта по изучению метаматериалов в специально созданной лаборатории МИСиС

В России Вы намерены изучать искусственные метаматериалы на основе сверхпроводников. Чем они интересны?

– Это совершенно новое направление, оно возникло пару лет назад. В целом метаматериалы исследуют уже около десяти лет. Одно из их основных свойств – отрицательный коэффициент преломления при определенной длине волны. Сейчас в прессе любят порассуждать о том, как из них сшить «шапку-невидимку».

Свойства метаматериалов можно усилить с помощью сверхпроводников. Кроме того, меняя магнитное поле, можно варьировать частоту, на которой материал будет «работать», настроить его на нужную длину волны.

Размеры наших сверхпроводящих структур – субмикронные и микронные. Мы будем пропускать через них микроволновые сигналы и смотреть, как влияют на прохождение внешние параметры: температура, магнитное поле, электрический ток. Наши устройства можно назвать микроволновым фильтрами с очень высокой скоростью перестройки – быстрее, чем за миллионные доли секунды.

Чем они могут быть полезны?

– Один из примеров применения – сверхкомпактная антенна, расположенная прямо на том чипе, где обрабатывается сигнал. Она позволит сократить потери и повысить чувствительность. Пока эти технологии заинтересовали только американских военных, но, думаю, скоро они могут перейти в более массовые космические коммуникации. Возможно, развитие ГЛОНАСС подстегнет этот процесс и в России.

Сверхпроводниковые цифровые устройства уже используют для обработки информации. Лидером в этой области является компания Hypres Inc. В ней работает много выходцев из России (в основном из школы Константина Лихарева в МГУ), которые в течение ряда лет создают software defined radio. Его сигналы оцифровываются «на лету» и обрабатываются уже в цифровом виде. При использовании сверхпроводниковых цифровых устройств эти сигналы могут иметь очень высокую несущую частоту, вплоть до десятков и даже сотен гигагерц. Использование сверхкомпактной антенны на основе метаматериала позволяет во много раз повысить точность приема сигналов и увеличить количество каналов.

Уже через несколько лет Вы планируете изучать не только электромагнитные, но и квантовые свойства метаматериалов…

– Ради этого, собственно, все и затевается. Нам интересно создать работающие по квантовым принципам устройства для обработки информации, повышения ее точности и надежности хранения.

В основе таких «приборов» – кубиты, квантовые биты. Можно сказать, что атом водорода – тоже кубит. Обычный триггер находится в одном из двух состояний: либо 0, либо 1. А квантовый всегда в суперпозиции: и 0, и 1.

Сверхпроводящие кубиты возникли 12 лет назад. С тех пор время их «жизни» увеличилось почти в 100 000 раз. Прогресс просто колоссальный! Квантовая информация теперь может сохраняться в течение миллисекунд – и этот предел растет. Уже сделан первый процессор, который может выполнять деление числа на простые множители.

В чем особенности квантовых процессоров?

– Во-первых, они будут гораздо мощнее обычных, смогут быстрее и эффективнее решать задачу сортировки, взламывать сложнейшие криптокоды. Но это лишь одна сторона вопроса. О другой еще 50 лет назад говорил Ричард Фейнман: «Зачем вычислять квантовые явления на классических счетных машинах?» Скажем, электронные свойства твердых тел обычно рассчитывают по модели Хаббарда, что требует чудовищной работы по преобразованию данных. А на квантовом компьютере это можно сделать, образно говоря, в аналоговом виде. Состояние, в которое придет система, и будет искомым результатом вычислений. Так можно решать задачи синтеза электронных свойств твердых тел. По словам моих коллег-теоретиков, это позволит, к примеру, создавать новые сверхпроводники, работающие при высоких температурах.

Кроме того, с помощью квантовых технологий можно создать сверхточные часы и разительно повысить точность навигации GPS. Представьте себе, что у вас есть автомобиль, который знает свое положение на поверхности Земли с точностью до миллиметров, если не микронов. Тогда и водитель не нужен. Пробки отменяются! Автомобильный поток регулирует общий компьютер, где вероятность ошибки практически исключена. Но все это, конечно, в далеком будущем.

Каковы Ваши ближайшие цели?

– Вначале нужно оснастить лабораторию. Условия экспериментов с квантовыми метаматериалами – температура вблизи абсолютного нуля, существенно меньше 1 кельвина (для сравнения: с классическими метаматериалами можно использовать температуру даже в десятки кельвинов). Требуются специальные криостаты. На средства мегагранта мы за очень короткий срок смогли купить два – на 1,5 кельвина и на 20 милликельвинов. Сейчас установки находятся в состоянии сборки в новой лаборатории. Думаю, первый эксперимент мы сможем начать в сентябре-октябре.

С чьей стороны будет финансовая поддержка, когда истечет срок мегагранта?

– Весьма вероятно, что наши исследования поддержит недавно созданный Российский квантовый центр. В консультативный совет входят ведущие ученые со всего мира, в том числе нобелевские лауреаты. Похожая модель у Института Макса Планка: его деятельностью управляет наблюдательный экспертный совет. Направления исследований там меняются регулярно, раз в четыре-пять лет, причем иногда – довольно резко.

Это негосударственный центр?

– Да. Средства поступают из частных пожертвований. Есть несколько человек, готовых вложить деньги в endowment-фонд, не рассчитывая на сиюминутную прибыль. Такая практика широко распространена в мире. Средства фонда лежат на банковском счету, а проценты с этого счета идут на финансирование научных исследований.

Расскажите о Вашей команде.

– «Ядро» я привел с собой – это три лидера, все они мои коллеги примерно моего возраста и моего научного уровня: Валерий Рязанов из Черноголовки, заведующий лабораторией сверхпроводимости, Сергей Шитов из Института радиотехники и электроники РАН, а также мой старый друг и коллега Александр Карпов, который последние 10 лет работал в Калифорнийском институте технологий, но принял мое предложение поучаствовать в нашем проекте и сейчас переехал в Москву. Это большая удача.

Кроме того, под моим руководством шестеро старшекурсников – четверо из МИСиС и двое из Физтеха. Еще есть трое аспирантов. Юных ребят, конечно, всему нужно учить, поэтому каждый из них начинает с того, что проводит от 4 до 6 недель у меня в лаборатории в Германии. Один парень там прямо сейчас. Сегодня я с ним беседовал по Skype.

К сожалению, у меня самого все меньше остается времени на ежедневные эксперименты в лаборатории. Я показываю студентам свою методику, проходит две-три недели – и выясняется, что многое можно делать по-другому, часто гораздо лучше. Но так и должно быть. Наука делается руками молодых людей.

Материал опубликован в журнале New Scientist № 7–8 (19), июль-август 2012

РЕЙТИНГ

3.33
голосов: 3

Галереи

КТЛП МИСиС

Кафедра технологии литейных процессов НИУ МИСиС (ТУ). 24 июня 2009 года.

28 фото

Обсуждение