RU   EN   FR   CN   DE  
Нашли ошибку на странице?
22.05.2020 10:23
Категория: События, Партнерские связи, Опорный вуз, Стратегические проекты, ВлГУ дома
Автор: отдел по связям с общественностью

«Приручить свет»: наука настоящего – технологии будущего. Интервью с лауреатом премии по квантовым приборам физиком Алексеем Кавокиным

Известный физик встретился с отделом с связям с общественностью ВлГУ в онлайн-формате. За организацию интервью выражаем большую благодарность Стелле Кутровской. Мы поговорили о том, за что ученый получил премию, какие направления науки и техники сегодня наиболее перспективны, зачем нужен поляритонный лазер и когда будет создан квантовый компьютер на его основе, о науке в эпоху пандемии коронавируса и о том, почему молодежь должна выбрать физику и научную деятельность для своего успешного будущего. Это беседа о масштабных и немного фантастических вещах с уникальным и глобально мыслящим человеком и ученым.


 

Алексей Кавокин возглавляет Международный центр поляритоники и является профессором Университета Вестлейк (Китай), профессором Саутгемптонского университета, руководителем научной группы в Российском квантовом центре и лаборатории оптики спина им. И.Н. Уральцева Санкт-Петербургского государственного университета. Он почетный профессор ВлГУ, в его научной группе работает четыре выпускника кафедры физики и прикладной математики ВлГУ. В мае 2020 года он первым среди российских ученых получил престижную премию по квантовым приборам Quantum Devices Award.

Алексей Витальевич перед началом интервью тепло поприветствовал жителей Владимира и Владимирской области: «Мне нравится ваш город, я часто у вас бываю. Очень рад сотрудничать с Владимирским государственным университетом – это кузница кадров, в моей научной группе работают блестящие выпускники этого вуза».

 

О значимости премии

 

«Я рад, что мне дали премию, это в первую очередь означает, что не так плохи дела в России в сфере квантовых технологий. Значительная часть моих работ, за которые премия и была присуждена, сделана именно в России и в том числе при участии научных сотрудников Владимирского государственного университета. Премия показывает, что в каких-то областях мы лидируем. Она дается за достижение в очень узкой научной области и одному человеку в отличие от Нобелевской.

 

Но это та область науки, которая сегодня развивается наиболее быстро и оказывает серьезное влияние на нашу жизнь. Если мы вспомним 90-ее гг. прошлого века, когда мобильные телефоны и персональные компьютеры только начинали массово использоваться, и сравним с днём сегодняшним, то увидим колоссальную разницу. Громоздкие телефоны, по которым вы с большими помехами и за большие деньги разговаривали, невозможно сравнить с устройством, которое сегодня заменяет и компьютер, и фотоаппарат, и видеосвязь, и связь по интернету с любой точкой мира. Всё это квантовые приборы разного типа: антенны, излучатели электромагнитных волн, приемники, обеспечивающие связь; экраны (складываются из микроскопических светодиодиков), миникомпьютеры – они составляют современные мобильные телефоны. Эти квантовые приборы уже вошли в нашу жизнь». 

 

Предсказать явление, обнаружить его  и получить международную премию

 

«Все знают Альберта Эйнштейна, величайшего физика XX века. В 1924 году он предложил новый эффект, который вошел в учебники под названием «бозе-эйнштейновская конденсация». Что это такое? Представьте себе автомобильную дорогу, например, МКАД, по которой движутся несколько десятков тысяч автомобилей. Каждый со своей скоростью: кто-то из водителей ускоряется, кто-то притормаживает. А если бы все эти тысячи автомобилей ехали с одинаковой скоростью, то это позволило бы избежать пробок. Фактически это условный пример бозе-эйнштейновской конденсации. В физике это означает, что множество квантовых частиц попадает в одно и то же квантовое состояние, которое характеризуется, скажем, скоростью. Все частицы, словно сговорившись, движутся с одной скоростью. Теоретически эффект был предсказан, но потребовалось около 75 лет для его экспериментального подтверждения. 

 

В конце прошлого века явление наконец обнаружили в разреженных газах атомов щелочных металлов – за это в 2001 году была вручена Нобелевская премия двум группам американских ученых. При этом эксперимент проводился при сверхнизких температурах (около абсолютного нуля), что в определенном смысле экзотика, поскольку невозможно создать прибор, который будет работать при такой температуре. Открытие в итоге осталось примером красивой фундаментальной науки. 

 

В то же время, в начале XXI века, я с моими французскими коллегами задумался над тем, каким образом можно перенести описанное открытие в повседневную жизнь и пронаблюдать его при комнатной температуре. Тогда это была чистая фантастика. В 2003 году мы опубликовали научную работу – теоретическое предсказание, не очень надеясь, что скоро увидим ее практические плоды. Но работу в этом направлении начали – я был координатором европейского проекта. В 2007 году в Университете Саутгемптона, в котором я работал на тот момент, предсказанное нами явление было все-таки обнаружено! Это был настоящий научный прорыв: представьте себе, что от одной стомиллионной градуса мы перешли к комнатной температуре! Это, конечно, не холодные атомы, а другие частицы – «свет-вещество», но суть явления та же. 

«После демонстрации явления мы задумались о пользе нашего открытия для народного хозяйства». 

Последние 13 лет моей научной деятельности в основном посвящены разработке приборов, действие которых основано на этом явлении. Собственно, в формулировке премии сказано, что она присуждена за теоретическое предсказание бозе-эйнштейновской конденсации экситон-поляритонов при комнатной температуре, которое привело к появлению нового класса полупроводниковых приборов и поляритонных лазеров».


Приручение света и создание поляритонного лазера


«Поляритонные лазеры не лучше других. Если внимательно на них посмотреть, то они даже хуже из-за своей малой мощности. Мы привыкли еще со времен советской фантастики думать, что лазеры – это такая оптическая пушка, лазером можно сбивать ракеты и т.п. Нашим лазером ничего такого не сделаешь. Лазер – источник когерентного  света (согласованные во времени и пространстве колебания – прим. ред.). Это «лампочка», которая излучает свет определенной длины волны. В нашем случае мы имеем лазер с самым низким порогом, то есть самый экономичный: для производства когерентного света обычный лазер затрачивает много энергии.

 

Поляритонному лазеру для излучения света (потока фотонов) требуется минимум ресурсов. Это рекордно экономичный лазер, который принесет пользу там, где необходимо экономить энергию, например, при межзвездных перелетах.

 

Но главное другое: поляритонный лазер не еще один источник света. Свет в этом лазере находится в форме «свет-жидкость». Разберем отличия. Свет – это поток квантовых частиц (фотонов), летящих с одной скоростью, фазой, направлением: они не чувствительны к электромагнитному полю, не взаимодействуют друг с другом. Вот почему из света трудно делать какие-либо приборы. «Свет-жидкость» образуется в кристалле, когда свет проходит через определенную кристаллическую структуру и за счет взаимодействия с кристаллической решеткой кванты света начинают вести себя как молекулы воды. Начинают цепляться друг за друга, формировать капли, водовороты, волны. Свет может стать очень медленным, его можно направлять и заставить течь по определенным каналам, по кругу, например, и он станет напоминать змею, кусающую собственный хвост. Это свойство оказывается очень важным для создания квантовой памяти и квантового компьютера – атомной бомбы XXI века, оружия, которое взламывает коды».


От поляритонного лазера к квантовому компьютеру


«Квантовые компьютеры делают разными способами. Например, корпорации Google или IBM создают их при сверхнизких температурах на основе сверхпроводников. И тут приходим мы с новой технологией, когда когерентное состояние «свет-вещество», очень похожее на сверхпроводимость, реализуется при комнатной температуре. Естественно, это сильно меняет технологии. Приборы на основе «свет-жидкость» легко интегрировать на микрочипы, в классическую микроэлектронику. При этом они демонстрируют ту же самую качественную физику, что и сверхпроводящие кубиты, которые надо охлаждать практически до абсолютного нуля. Конечно, стоимость несопоставима. Если одна машинка Google с 53 кубитами стоит не меньше 10 млн долларов, то компьютер на основе «свет-вещество» будет не дороже обычного мобильного телефона. Экономический эффект очевиден. Кроме того, с устройством на основе поляритонного лазера удобнее работать – при комнатной температуре и без криостатов. Квантовые компьютеры – это та сфера, где наш поляритонный лазер скажет свое веское слово. Это многомиллиардный бизнес.

 

Но физики, занимающиеся фундаментальной наукой, не могут, конечно, конкурировать с корпорацией Google. Это как выйти в мушкетерском плаще со шпагой против танка.

 

Для того чтобы сделать квантовый компьютер по принципам квантовой поляритоники, недостаточно только успешных разработок. Нужно, чтобы крупное промышленное предприятие заинтересовалось и взяло наши разработки и патенты на бюджетное вооружение. Мне сложно сказать, сколько времени займет этот процесс. Все, что касается человека науки – этапа «эксперименты, которые подтверждают концепцию», – мы успешно проводим. Реализация в лабораторных условиях квантовой сети, которая, скажем, была бы эквивалентна процессору, используемому Google, – вопрос нескольких лет. После создания процессора потребуется вложение денежных средств, инвестиции».


О работе ученого в эпоху пандемии Covid-19


«До пандемии я летал каждые три дня по делам – в мои лаборатории в России, Китае, Великобритании. Благодаря коронавирусу я сижу дома, отдохнул от постоянных перелетов, отоспался и лучше себя чувствую. Лично я только выиграл. Всегда есть огромное количество незавершенных работ, и такие вынужденные паузы позволяют довести их до ума. Сейчас приняты в печать сразу несколько статей. Наша научная группа продолжает работает очень интенсивно – общаемся в удаленном формате, обсуждаем результаты. Сейчас у нас два главных направления деятельности – разработка алгоритмов квантового компьютера на основе поляритонных кубитов и изучение сверхпроводимости при помощи состояния «свет-жидкость».

Второе направление мне также очень дорого: уверен, оно будет иметь не меньшее значение для повседневной жизни.

Сверхпроводимость – это важнейшее явление, оно уже используется: в поездах на магнитной подушке, сверхчувствительных магнитометрах. Мы надеемся получить сверхпроводимость при комнатной температуре, используя накопленный опыт работы со «свет-жидкостью»

 

Мир сильно изменился. Кто бы мог представить, что самолеты не будут летать, люди будут сидеть дома, а экономика окажется в глубоком и глобальном кризисе. Последствия сложно предсказать. С точки зрения энергетики мы видим, что нефть обрушилась и ничего не стоит. Если раньше основным из двигателей науки был поиск альтернативных источников энергии, то сейчас они вроде и не нужны. Имеющиеся девать некуда. 

 

«Что нас ждет дальше, трудно вообразить: я работаю в какой-то мере над тем, чтобы это будущее приблизить» 

 

«Прежде всего будут изменения, которые мы не очень хотим. Сегодня одна из главных проблем международной безопасности – информационная. Банковские операции, контроль за крупным производством, военные операции – всё это и многое другое делается зачастую виртуально, по удаленной связи через компьютер, интернет. Это небезопасно, поскольку все современные системы защиты основаны на определенных математических алгоритмах, которые небезупречны и поддаются взлому, особенно при наличии мощного компьютера! Опасность реальная, над созданием средств защиты сегодня работают квантовые физики.

 

С другой же стороны развивается наступательное оружие – квантовый компьютер. С его помощью атаковать информационную систему можно будет за несколько секунд, так как взлом пройдет не путем перебора комбинаций, а одновременным их изучением. Крупные державы сейчас соревнуются в квантовых разработках. Я занимаюсь фундаментальной физикой, а не компьютерным взломом. Мой научный интерес – изучить физические явления, на основе которых развиваются и средства нападения, и средства защиты».


Советы студентам и абитуриентам ВлГУ

«Владимирская научная школа совершенно потрясающая. Надеюсь, что у меня будут новые аспиранты и постдоки из ВлГУ. Конечно, надо идти в науку и в то направление, которым занимается моя научная группа. Есть, конечно, популярные профессии – экономика, юриспруденция, например. Но там уже колоссальное перенасыщение, высокая конкуренция. А наука сейчас стала двигателем экономики.

Огромный бум в так называемой «виртуальной экономике», информационных технологиях. Например, в условиях коронавируса большинство совершает покупки через интернет. Это сложная машина: как всё работает, от заказа до доставки. В основе лежат современные технологии обработки информации. А за этим всем стоит наука в широком смысле. Здесь огромная область для приложения.

Человек, получивший образование по направлениям физики, никогда не пропадет и не останется без работы.

Даже в банковской сфере востребованы физики – люди, мыслящие далеко не абстрактно и привыкшие приспосабливать модели к сложной реальности, описывать сложные вещи простыми словами».

 

Завершая беседу, Алексей Витальевич пообещал приехать во Владимир и в наш университет в этом году (если эпидемиологические условия позволят, конечно) и снова прочитать для студентов лекцию по актуальным вопросам науки и техники, поделиться достижениями своей научной группы. 

 

Записала Наталья Шапшай.

Для справки

Сегодня в научной группе Алексея Кавокина работает четыре выпускника ВлГУ – это научные сотрудники кафедры физики и прикладной математики Стелла Кутровская, Игорь Честнов, Евгений Седов и Севак Демирчян. Они задействованы в научных работах Международного центра поляритоники в Ханчжоу, Китай.

Наши русские ребята строят и оснащают лабораторию, аналогов которой нет в мире. В ней будут выращивать самые тонкие, бездефектные в мире провода – толщиной всего в один атом, изучать в них электронный транспорт и создавать на этой основе самые миниатюрные чипы. Предсказание условий проявления сверхпроводимости, новых оптических эффектов, организация квантовой памяти и передачи информации – вот что сейчас в поле зрения физиков-теоретиков из группы Кавокина. Результаты их работы воплощаются в экспериментальных лабораториях по всему миру.