Магниты из сверхпроводников, фотонный транзистор, квантовый компьютер и лекарство от деменции – темы научных работ лауреатов новой научной премии.

Фото: премиявызов.рф

Не успели прийти в себя от радости лауреаты научной премии Сбера, как всего неделю спустя состоялось вручение национальной научной премии «Вызов» в области будущих технологий. Если лауреаты премии Сбера награждаются за уже состоявшиеся работы и заслуги, то «Вызов» нацелен, прежде всего, на будущее, на тот потенциал, который несёт в себе та или иная научная работа.

По словам организаторов, миссия премии – формирование ясной мотивации и стремления представителей нового поколения связать свою жизнь с наукой и технологиями в нашей стране. Размер премии – десять миллионов рублей каждому победителю. Финансирует премию фонд научно-культурных связей «Вызов», которому помогают Газпромбанк, правительство Москвы и Госкорпорация Росатом.

Сделали самый мощный квантовый компьютер

Премию в номинации «Перспектива» получил Илья Семериков, заместитель руководителя научной группы в Российском квантовом центре за создание ионного квантового процессора с использованием многоуровневых квантовых систем.

Илья Семериков. Фото: премиявызов.рф

«Наша работа посвящена созданию квантовых компьютеров на основе ультрахолодных ионов в электромагнитных ловушках, – рассказал учёный. – Особенность нашей системы – использование четырёхуровневых квантовых систем – куквартов. Это частный случай кудита. На сегодня у нас есть универсальный компьютер на 10 кудитов (это то же, что 20 кубитов) с достоверностью однокубитных операций на уровне 99.94% и двухкубитных – 95%».

По словам Ильи Семерикова, такой компьютер подключен к облачной платформе, где были проведены первые квантовые алгоритмы, например,проведено моделирование молекулы гидрида лития. А долгосрочная цель – создание масштабируемого квантового компьютера, который позволит решать новые классы вычислительных задач, недоступные для классических компьютеров.

Насколько эта работа оригинальна? «Ионных квантовых компьютеров в мире не так много, их можно пересчитать по пальцам, – поясняет учёный. – Но универсальных кудитных, насколько мне известно, всего два, и один из них – наш».

Создали новый магнит на высокотемпературных сверхпроводниках

Премия в номинации «Инженерное решение» присуждена Гамлету Ходжибагияну, директору по научной работе Лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований, за разработку магнитов на основе высокотемпературного сверхпроводящего материала для сверхмощных хранилищ электроэнергии и исследований новой физики.

Гамлет Ходжибагиян. Фото: премиявызов.рф

«Наша заслуга – разработка технологии, позволяющей изготавливать магниты из высокотемпературного сверхпроводника для ускорителей заряженных частиц и накопителей, – рассказал учёный. – Эта технология состоит из нескольких частей. Первое – это оригинальная конструкция кабеля. На мельхиоровую трубочку спирально, слоями наматывается сверхпроводящая лента. Это делается для того чтобы получить большой ток. В качестве хладагента мы используем газообразный гелий, а в будущем, возможно, это будет азот. К этому мы стремимся, потому что он гораздо дешевле. Мы уже сейчас на порядок уменьшили эксплуатационные расходы по сравнению с обычной медной обмоткой, а переход на азот позволит добиться ещё более существенного удешевления процесса».

Вторая технология связана с капитальными затратами, которые также необходимо снижать. На этом пути учёные из Дубны нашли способ увеличения критического тока магнитного провода путём облучения ионами или протонами. Исследователи пробовали разные виды заряженных частиц, разные энергии, плотности пучка и в результате подобрали наиболее эффективные характеристики. Сегодня получено увеличение критического тока в три раза, и это не предел. Важно, что в институте есть несколько ускорителей, что позволяет решать такие задачи у себя «дома», никуда не выезжая. Для этого учёные создают искусственные центры пиннинга, что способствует сохранению сверхпроводящей фазы даже при протекании очень больших токов.

«А ещё мы нашли способ сделать конструкцию кабеля монолитной, – говорит Гамлет Ходжибагиян. – Это нужно для того чтобы вся конструкция работала долго и слаженно».

Возможности применения этих разработок почти безграничны. Но есть и конкретные цели. Во-первых, учёные хотят обновить первый сверхпроводящий ускоритель «Нуклотрон», который работает в ОИЯИ уже 35 лет. Во-вторых, сегодня во многих центрах в мире изготавливают сверхпроводящие циклотроны для терапии онкологических заболеваний. Использование новых сверхпроводящих магнитов вполне оправданно и в этом случае. Первый такой циклотрон в ОИЯИ собираются запустить уже в следующем году. Третье применение – сверхпроводящие магнитные накопители энергии, которые тоже скоро пойдут в испытания. Эти системы способны запасать энергию в магнитном поле, которое создаётся незатухающим постоянным током в сверхпроводящей катушке. Первый такой накопитель предназначен для ускорительного комплекса «NICA», который поможет коллайдеру никак не зависеть от городского энергоснабжения. В будущем подобные накопители смогут найти применение в самых разных областях энергетики.

«Подружили» свет и материю

Премию в номинации «Прорыв» разделили руководитель лаборатории гибридной фотоники Сколтеха Павлос Лагудакис и старший преподаватель Сколтеха, кандидат физико-математических наук Сергей Аляткин за создание новых типов вычислительных устройств на основе управления светом и веществом.

Павлос Лагудакис. Фото: премиявызов.рф

Сфера научных интересов профессора Павлоса Лагудакиса и Сергея Аляткина – поляритоника, область физики, изучающая поляритоны – так называют гибридные состояния света и материи. Основные задачи исследований – разработка технологий и вычислительных устройств нового поколения – поляритонных симуляторов и вентилей для быстрой передачи и обработки информации.

«Нашим существенным достижением в области фотоники стала первая экспериментальная демонстрация полностью оптического транзистора с рекордными характеристиками при комнатной температуре, – рассказал Сергей Аляткин. – Реализовано ультрабыстрое включение и выключение сигнала в субпикосекундном диапазоне с чувствительностью на уровне единичных фотонов и рекордной оптической нелинейностью. Полученные результаты открывают уникальные возможности для создания элементов быстрой оптической логики».

Как пояснил Сергей Аляткин, поляритоны – композитные квазичастицы, сочетающие в себе свойства света и вещества, образуются в режиме сильной связи между светом и веществом. Чтобы создать поляритоны, полупроводниковые структуры (например, квантовые ямы) помещают в высокодобротные оптические микрорезонаторы (пара близко расположенных зеркал с высоким коэффициентом отражения). Поляритоны сочетают в себе высокую скорость распространения света и электронные свойства вещества, а также, в отличие от свободных фотонов, «наследуют» от вещества способность взаимодействовать друг с другом. Когда число поляритонов в резонаторе становится достаточно большим, они образуют когерентное состояние – поляритонный конденсат. Такое состояние часто называют «жидким светом». Показано, что поляритонная система в таком состоянии демонстрирует квантовые свойства, несмотря на большую протяжённость (вплоть до нескольких десятков микрон), что открывает перспективы создания квантовых вычислителей на их основе. Для их успешной реализации необходим контроль над элементами системы и возможность её масштабирования.

Профессор Лагудакис предложил, а затем при активном участии Сергея Аляткина развил методы оптической печати массивов взаимодействующих поляритонных конденсатов. В Сколтехе впервые реализованы методы прецизионного оптического контроля над взаимодействием связанных конденсатов в парах и кластерах. Получена и продемонстрирована оптическая печать решёток поляритонных конденсатов в различных геометриях (квадратная, сотовая, решётка Либа) с числом узлов более ста.

«Вообще в области поляритоники Павлос Лагудакис стал одним из первых исследователей со стороны эксперимента, – говорит Сергей Аляткин. – Вместе с коллегами он впервые продемонстрировал поляритонную лазерную генерацию при комнатной температуре в микрорезонаторе на основе GaN. Поляритонные лазеры стали первым классом оптоэлектронных устройств на основе экситонных поляритонов. Благодаря этому в экспериментах реализована новая концепция квантового вычислителя и получен патент на изобретение; создан и запатентован первый сверхбыстрый оптический транзистор с рекордным оптическим усилением, работающий при комнатной температуре».

Но основным достижением стала концепция и первая в мире практическая реализация поляритонного симулятора для быстрых аналоговых вычислений при решении сложных оптимизационных задач, а также экспериментальная реализация полностью оптических транзисторов с рекордными характеристиками, работающих при комнатной температуре.

Вылечат болезни мозга

«Учёным года» стал директор Института трансляционной биомедицины СПбГУ Рауль Гайнетдинов за открытие принципиально новых лекарственных подходов для лечения болезней̆ мозга.

Рауль Гайнетдинов. Фото: премиявызов.рф

«Я начал свои исследования по фармакологии дофамина в далёком 1988 году, а потом перешёл к изучению его аналогов, – рассказывает учёный. – В 2001 году были открыты рецепторы дофамина и его производных. Сегодня мы знаем, что рецепторы следовых аминов представляют собой совершенно новую мишень для создания лекарств, эффективных при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинскона или деменция».

Эти лекарства, по словам учёного, также могут оказывать лечебный эффект при таких распространенных проблемах, как аутизм или СДВГ (синдром дефицита внимания и гиперактивности).

Экспериментальные данные показывают широчайшую перспективу для применения таких веществ. Именно поэтому во всём мире ведётся научная работа в этом направлении. В США, Японии и Швейцарии уже идут клинические испытания первых препаратов, показывающих высокую эффективность. В нашей стране исследования пока находятся на стадии доклинических испытаний на лабораторных животных, но прорыв в медицинской науке уже не за горизонтом, уверен учёный. «Главное – мы смогли предсказать новые мишени, те критические молекулы, на которые воздействует лекарство, – говорит Рауль Гайнетдинов. – Теперь мы найдём принципиально новые, эффективные и безопасные лекарства, которые помогут человечеству преодолеть эти недуги».

Зачем нужна ещё одна премия?

«Все решения, связанные с выбором кандидатов, осуществлялись Научным комитетом, – рассказал Артём Оганов, профессор Сколтеха, руководитель Научного комитета премии «Вызов». – Несмотря на то, что у премии есть фонд, финансируемый различными организациями, в нашу работу они никоим образом не вмешивались. Я очень рад, что это так, потому что по-настоящему честная, объективная и независимая премия возможно только в этом случае.

Считаю, что наши победители – великие учёные, и это не преувеличение. Одна из причин, почему мы учредили эту премию, – мы не хотим опаздывать. Мы хотим чествовать учёных при жизни, желательно в тот момент, когда они совершили свои великие открытия, а не много лет спустя.

У нас четыре лауреата, у многих из них есть ещё солауреаты, которых они включили в свои заявки. Это прорывные работы. Рауль Гайнетдинов, учёный из Санкт-Петербурга, открыл дофаминовые и аминовые рецепторы, что позволит создать новые лекарства для болезней мозга с минимумом побочных эффектов. Павлос Лагудакис создал первый в мире фотонный транзистор, работающий при комнатной температуре. Гамлет Ходжибагиян создал лучшие в мире электромагниты с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Они на порядок более энергоэффективны, чем имеющиеся до сих пор, и обладают лучшими характеристиками. Молодой учёный Илья Семериков создал самый мощный в России квантовый компьютер, работающий на ультрахолодных ионах. Мы очень рады, что эти люди получили нашу премию, и о них теперь будут знать лучше. В этом году премия стартовала мощно и красиво. Ни у кого нет сомнений, что у неё большое будущее. У нас честный, компетентный научный комитет, и никаких сомнений в правильности его решения ни у кого нет. В следующем году премия выходит на международный уровень, появится пятая номинация для иностранного учёного. Думаю, премия будет со временем эволюционировать, меняться, мы не пишем правила раз и навсегда, и это одно из отличий нашей премии от других. Эта премия должна стать стандартом справедливости и объективности. Она открыта для всех учёных без исключения, при этом мы готовы меняться и совершенствоваться вместе с меняющимся миром».