Профессор Сколтеха Ильдар Габитов объяснил, что такое фотоника, Елене Кудрявцевой

Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры… Все это плоды одной и той же науки — фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, «Огоньку» рассказал профессор Сколтеха Ильдар Габитов

Интервью продолжает совместный медиапроект «Огонька» и Сколковского института науки и технологий «Физически это возможно». В № 37 от 01.10.2018 «Огоньком» была опубликована первая беседа цикла — с физиком Владимиром Захаровым.

Мышь в камере подсвечивается инфернальным зеленым светом: несколько секунд нужно лазеру, чтобы проникнуть в глубь организма и просканировать его до мельчайших деталей. На экране появляется изображение запутанного клубка кровеносных сосудов — до самых крошечных, размером в десятую долю миллиметра. Это оптоакустический микроскоп — уникальный, пока единственный в России прибор. Он преобразует оптический сигнал в акустический и позволяет не только «видеть» сосуды вплоть до микрокапилляров, но и обнаружить в крови мельчайшие частицы — например, единичные раковые клетки.

— А если увеличить интенсивность излучения, то клетка от перегрева просто лопнет и разлетится на части. Понимаете? — рассказывает профессор Ильдар Габитов.— Мы можем удалять нежелательные биологические объекты прямо внутри организма без хирургического вмешательства и без воздействия на весь организм. Эти возможности одновременной диагностики и терапии характерны для нового направления медицины — тераностики.

Мы находимся в Центре фотоники и квантовых материалов в Сколковском институте науки и технологии в лаборатории биофизики. Пока ученые оттачивают свое мастерство на образцах тканей. Но в ближайшее время в Сколтехе появится полноценный исследовательский виварий.

Интересно, что идея соединить технологии диагностики и лечения возникла еще у Нобелевского лауреата, одного из авторов американской атомной бомбы — Ричарда Фейнмана. Он предсказал создание автономных инструментов, которые смогут выполнять хирургические операции непосредственно в организме человека. Фейнман писал: «...Было бы интересно, если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, и он пройдет к сердцу и "осмотрится" там...». Возможно все это станет реальностью в ближайшее десятилетие. Для этого нам нужно понять, как фотоны взаимодействуют с веществом на наноуровне, и развить методы управления светом.

Компьютер из света

— Свет — это основа всего,— добавляет профессор Габитов по пути в другую лабораторию.— Без света не было бы ничего: не смогла бы зародиться жизнь на Земле. Не было бы ни современной медицины, ни современной промышленности, да и всего современного общества с его сложнейшей информационной структурой, экономикой и повседневной жизнью тоже бы не было. Наука фотоника, чье стремительное развитие обусловлено огромным количеством приложений, изучает свойства света, взаимодействие света с веществом, разрабатывает методы управления световыми потоками. Общим для этих методов является одно — они основаны на манипуляциях с частицами света — фотонами. (Фотон — это квант электромагнитного излучения, он, в отличие от электрона, не имеет массы и электрического заряда и двигается в вакууме со скоростью света — «О».)

— А почему фотоника стала так бурно развиваться именно сейчас? Все передовые страны, включая Россию, определили ее как стратегически важное направление...

— Я бы назвал два основных фактора — развитие инструментальной базы и растущие технологические потребности, включая информационную инфраструктуру современного общества. Сегодня 30–40 процентов выпускаемой в мире продукции создается с использованием фотоники, а перечень областей, где будут применяться открытия, растет с каждым днем.

— Одной из самых «горячих областей» остаются компьютерные технологии. Основатель Intel Гордон Мур еще в 1965-м сформулировал закон, по которому число транзисторов на микросхеме и, значит, быстродействие будут увеличиваться вдвое каждые два года. Но в 2016-м его закон работать перестал: электроника больше не может развиваться так быстро. Заменят ли ее фотонные технологии?

— Технологии электроники в некоторых областях действительно подошли к некоторому пределу. Мы все свидетели быстрого развития приборов, основанных на электронике. В кармане у многих есть смартфон — удивительное устройство, функциональные возможности которого 20 лет назад нельзя было и представить. Его появление хорошо иллюстрирует философский закон перехода количества в качество. Если бы мы попытались сделать нечто похожее на смартфон во времена так называемой дискретной электроники, то соответствующее устройство из радиоламп, конденсаторов, сопротивлений, индуктивностей и т.п. получилось бы размером с квартал. Вдобавок оно потребляло бы неимоверное количество энергии и не смогло бы работать из-за постоянных поломок вследствие ненадежности элементов. Лишь появление микросхем высокой степени интеграции (содержат большое количество элементов.— «О») привело к созданию устройств нового типа, которые ныне доступны каждому. Однако дальнейший прогресс, по которому развивается электроника, в ряде случаев не представляется возможным.

— И в чем причина?

— Причин несколько. Во-первых, в современных компьютерах количество микросхем достигает порядка 1,5–2 млрд. И каждую нужно соединить проводочками! При этом возникают так называемые паразитное сопротивление, паразитные емкости и индуктивности, которые ограничивают быстродействие. В итоге совершенствование современных машин идет за счет более сложной архитектуры, многоядерных процессоров, нового программного обеспечения и т.д.

Во-вторых, развитие компьютеров очень сильно тормозит отсутствие материалов, которые способны отводить тепло. Элементы в современных устройствах становятся очень маленькими, но их очень много, они чрезвычайно плотно упакованы, так что перегрева избежать невозможно. В настоящее время такие гиганты индустрии, как Google и Facebook, вынуждены были расположить свои «дата-центры» (центры обработки данных.— «О») в условиях холодного климата: за полярным кругом и на Севере на нефтяных платформах, где много холодной воды. А крупнейший в Китае дата-центр находится на высоте в 1065 м над уровнем моря в Хух-Хото, во Внутренней Монголии. Проблема требует решения, потому что плотность систем хранения данных будет только расти. Из культуры пользователей совсем уходит навык что-то стирать или уничтожать, как было еще 20 лет назад, когда мы пользовались дискетами или дисками. Облачное пространство кажется бесконечным.

А третья причина, самая главная, из-за которой быстродействие компьютеров больше не растет, связана с количеством электронов, которые участвуют в элементарной логической операции. Сейчас в одной операции задействован фактически один электрон. То есть дальше мы должны будем использовать «половинку» или «четверть» электрона, что является абсолютной нелепостью. Поэтому возникла идея попытаться создать устройства высокой степени интеграции с использованием фотонов.

— Будет ли это похоже на технологический прорыв 1970-х, когда вместо медного кабеля стали использовать оптоволокно? Ведь именно этот переход по сути и создал современное информационное общество.

— Да, оптоволокно — тонкая нить из прозрачного материала, по которой с высокой скоростью переносится свет — удивительный материал. Представьте себе: десятки километров оптического волокна обладают такой же прозрачностью, как и метр оконного стекла! Это и позволяет использовать фотоны вместо электронов в качестве носителей информации. Создание технологии оптического волокна и изобретение оптических усилителей привели к колоссальному прорыву в области высокоскоростной передачи. Теперь, конечно, возник соблазн использовать фотонные технологии не только для передачи, но и для обработки информации.

— Так реально ли в ближайшее время создание фотонного компьютера?

— Здесь мы упираемся в нерешенные пока проблемы. Например, современный процессор представляет собой сложную структуру, выполненную из мельчайших элементов. С каждым годом компании совершенствуют технологии: у Apple и Samsung технологические размеры составляют приблизительно 7 нанометров (то есть сегодня возможно оперировать деталями такого размера и соответственно размещать очень много миниатюрных элементов.— «О»). Но фотон, как известно, одновременно является и частицей, и волной. При этом длина этой волны, используемая в современных информационных системах,— 1550 нанометров. Грубо говоря, смартфон на основе фотонных технологий был бы сегодня примерно в 200 раз больше привычного нам.

Вторая нерешенная проблема — отсутствие эффективных методов управления потоками фотонов. Электроны, как известно, имеют заряд, поэтому ими можно манипулировать при помощи магнитного или электрического поля. Фотоны нейтральны и этого сделать нельзя. Сегодня все ожидают появления новых гибридных устройств, которые бы объединяли фотонику и электронику. Над решением этой задачи бьются исследовательские центры ключевых компаний.

— Что это даст? Невероятное быстродействие? У человечества есть задачи, которые нужно решать с такой производительностью?

— Конечно, такие задачи есть в области моделирования климата, изучения мозга, медико-биологических проблем… Этот список можно продолжать долго. Что касается новых возможностей для повседневной жизни — знаете, на этот вопрос я ответить не могу. Повторюсь, 20 лет назад мы не могли себе представить, какими удивительными возможностями будут обладать смартфоны. Поэтому фантазировать на тему о том, к каким функциональным возможностям может привести создание устройств фотоники высокой степени интеграции, дело неблагодарное.

Наука просветления

— Насколько дорогая наука фотоника? Какие установки нужны ученым?

— Гигантские проекты типа адронного коллайдера в области фотоники представить трудно — масштаб процессов здесь меньше. Но наука эта очень дорогая. Обычно центры фотоники, которые работают с очень маленькими структурированными объектами, с новыми материалами и новыми устройствами, стоят порядка 250–300 млн долларов.

— Где сегодня сконцентрирован научный потенциал и где, скорее всего, появятся новые суперустройства?

— Все больше исследований смещаются и концентрируются в крупных компаниях. Ключевые сотрудники стоят очень дорого, поэтому часть пилотных исследований и исследований с высокой степенью риска компании отдают на аутсорсинг университетам, где есть квалифицированные профессора и хорошие студенты.

Если говорить о странах, то большая работа проводится в США. Помимо того, есть хорошие центры в Англии, в ФРГ, Японии, Кореи. Отчасти во Франции. Большая работа ведется в университетах, например в Университете Рочестера в Нью-Йорке. Это вообще известное место для всех, кто имеет отношение к оптике. Здесь начинали работу такие известные оптические гиганты, как Kodak, Xerox, Bausch and Lomb.

— Китай пока не попал в этот список?

— Китай — отдельная история. На фотонику там выделяются громадные средства. Китайцы уже доминируют в отдельных областях производства, но, может быть, пока чуточку отстают по части разработки новых устройств. Хотя где-то, например в квантовой связи, китайцы обогнали весь мир. Буквально в нынешнем сентябре они при помощи квантового спутника QUESS осуществили связь между Китаем и Австрией. При этом не только побит рекорд по расстоянию, которое преодолел сигнал, но и положено начало созданию коммуникационных связей, которые невозможно взломать.

Китай развивается очень быстро, он привлекает не только значительные средства, но и человеческий потенциал. Сейчас, что интересно, китайские студенты зачастую уже не остаются после учебы в тех же Штатах, они возвращаются в Китай, а потом, становясь руководителями лабораторий, приглашают туда же своих профессоров.

— Не секрет, что электроника — та область, где Россия мягко говоря, сильно отстала: на гражданском рынке микропроцессоров у нас 100 процентов импорта. Что можно сказать о российской фотонике? Это особенно интересно, так как в БРИКС за нее, как за одно из самых перспективных направлений в науке, отвечают как раз Россия и Индия.

— Да, Россия с Индией, по-видимому, будут осуществлять совместные программы в области радиофотоники. Но в целом выбор, я бы сказал, оправдан. Мало кто помнит, что еще в 1919 году, в разгар Гражданской войны, у нас решением правительства был создан Государственный оптический институт (ГОИ). К 1923-му он был одним из наиболее оборудованных научных учреждений мира.

Вообще, это замечательное учреждение решило массу проблем. Скажем, до Первой мировой войны основным производителем оптики была Германия, а где-то в разгар войны были введены, как сейчас принято говорить, санкции. То есть приборы перестали поставляться в Россию. Было необходимо создавать индустрию, в чем огромную роль сыграл ГОИ. На его базе в том же 1919-м был построен 300-метровый интерферометр для наблюдения за звездами. Там занимались как фундаментальной наукой, так и созданием технологической базы. Здесь создавали все — от медицинских микроскопов до сложнейшей военной оптики и объективов для космических аппаратов.

К сожалению, в безумные 1990-е ГОИ пришел в плачевное состояние. Многих специалистов волевым решением руководства приняли работать в ИТМО — Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Теперь это уникальное образовательное учреждение, где ведутся очень серьезные научные работы. Ну, кроме того, нельзя не упомянуть Физтех, МИСИС, Университет им. Баумана в Москве, Новосибирский университет. Сейчас все это направление на подъеме, и решение правительства РФ о поддержке развития фотоники в России не случайно. Сколтех, кстати, участвовал в формировании этой программы. Наконец, проявляется серьезный интерес со стороны бизнеса: есть организации, которые выпускают конкурентную продукцию как гражданского, так и военного применения, развивают новые продукты.

Назад в будущее

— Расскажите, пожалуйста, о фотонных технологиях, которые изменят нашу повседневную жизнь. На какой стадии сейчас разработки Li-Fi — Wi-Fi, работающего на фотонах?

— Родоначальником этой технологии считается немецкий физик Харальд Хаас, который в 2011-м в качестве роутера использовал светодиодную лампу. В лабораторных условиях он достиг скорости передачи в 224 Гб/с. Такая скорость позволяет, например, скачать за 1 секунду 18 фильмов по 1,5 ГБ. Еще один важный нюанс — секретность. Радиоволны могут проходить через стены, то есть при связи по Wi-Fi радиосигнал может быть легко считан, а данные — украдены и расшифрованы. Модулированный свет из помещения далеко не уйдет, скрытно перехватить такой сигнал гораздо труднее — он воспринимается и передается в зоне прямой видимости. Но до воплощения в жизнь этой технологии еще далеко. Более реальны технологии на основе плазмоники.

— Что они собой представляют?

— Плазмоника начала развиваться всего лет 15 назад, но явления, связанные с ней, известны очень давно. Например, еще в Древнем Египте в стекло добавляли металлы и окрашивали их в различные цвета. А в Британском музее стоит уникальный кубок, созданный из стекла, в котором растворено золото, так вот, при одном освещении он розовый, а при другом — зеленый. Дело, как оказалось, в том, что при растворении в стекле золото не рассеивается на молекулы, а собирается в кластеры — примерно 50 нанометров размер частички. Если осветить светом — длина волны больше, чем размер частички, и свет проходит, огибая ее, не рассеиваясь. Это открытие привело к созданию самых разнообразных технологий, например нанолазеров, размер которых меньше длины волны, и сверхчувствительных сенсоров.

— А есть уже работающие модели?

— Есть. Первые работы о таких лазерах несколько лет назад опубликовал Миша Ногинов, выпускник МФТИ, проживающий в США. Он первым построил лазер размером в 40 нанометров — это в миллион раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Информация об этом появилась в 2011 году в журнале Nаture. С тех пор началась экспериментальная жизнь нанолазеров. В частности, другой наш бывший соотечественник Марк Стокман, ученик академика Спартака Беляева, ректора Новосибирского госуниверситета, придумал SPASER — плазмонный наноисточник оптического излучения. Он представляет собой частицу размером 22 нанометра, то есть в сотни раз меньше человеческой клетки. Благодаря специальному покрытию частицы SPASER способны «находить» метастазирующие клетки рака в крови и, прилепляясь к ним, уничтожать их. По крайне оптимистическим оценкам Стокмана, первые устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года.

— Для чего в первую очередь будут использоваться сверхчувствительные сенсоры?

— Например, для маркирования взрывчатых веществ. Для антитеррористической деятельности очень важно знать, откуда взялась та или иная взрывчатка, найти источник, откуда она утекла. Во всем мире прикладываются огромные усилия, чтобы маркировать взрывчатку, потому что тогда, собрав то, что осталось после взрыва, можно понять, где вещество было сделано — вплоть до смены и времени. Причем так, чтобы враг не мог понять, что туда добавляется. И эта задача решается просто: во взрывчатку попадает несколько молекул, которые сможет распознать сенсор на основе фотонных технологий.

Другое направление — маркировка лекарств. Известно, что в любой таблетке присутствует совсем малое количество действующего вещества, а основную массу составляют наполнитель и оболочка. Мы можем смешать, скажем, пять красителей в определенной пропорции, потом разбавить до низких концентраций и таким образом промаркировать подлинные таблетки через определенный состав оболочки. Чтобы отличить их от фальшивки, нужно всего лишь положить таблетки на специальную подложку и посмотреть, какой спектр они излучают. Это перспективное направление широко развивается в мире.

В нашей лаборатории в Сколтехе мы разрабатываем сенсор, который может определять уровень кортизола — гормона стресса — в крови человека. Это будет носимый гаджет, передающий информацию в режиме реального времени. Представляете, какая неоценимая вещь для людей, чья работа связана с постоянной концентрацией внимания?

— В конце 1960-х в мире шли разговоры о создании боевых лазеров. У нас программой руководил Нобелевский лауреат Николай Басов. Под его руководством создавался боевой лазер, способный поражать баллистическую ракету. Какие области фотоники интересны военным?

— Конечно, работы в области боевых лазеров ведутся во всех странах, но это не та тема, на которую можно распространяться. Более активно сегодня обсуждаются возможные метаматериалы (так называют материалы, свойства которых обогатили за счет нанотехнологий.— «О») для маскировки.

— Да, компании не раз заявляли, что готовы создать плащ-невидимку, как в романе Герберта Уэллса.

— Это чрезвычайно популярное в медийном пространстве направление. В романе Уэллса невидимость была основана на принципе прозрачности материала. Такой принцип, точнее его имитация, реализуется в настоящее время. Сейчас, например, в Сеуле обсуждается проект строительства башни, которая время от времени становится «прозрачной». Поверхность здания будет подсвечиваться светодиодами, а ряд расположенных на фасадах камер будут в реальном времени транслировать на его поверхность изображение неба. Полностью «активированная» башня должна стать невидимой на фоне неба. Правда, не очень понятно, как решатся вопросы с авиационной безопасностью, учитывая, что недалеко от этого места находится аэропорт.

Другая технология была описана в фантастической книжке — «Невидимая женщина». Там дама окружена оболочкой, которая искажает ход лучей.

Этот принцип реализуется с помощью метаматериалов. Метаматериалы могут искривлять лучи света таким образом, что скрывающийся за ним предмет становится невидимым. Но проблема в том, что это возможно только с очень маленькими объектами — порядка сантиметра — и в узкой области спектра.

Как в том, так и в другом случае о реальной невидимости говорить рано.

Физика на завтра

— В ХХ веке развитие той или иной сферы физики определял, как правило, политический заказ. В одном из последних интервью академик Гинзбург рассказывал, что когда американцы сбросили атомную бомбу, зарплата у него поднялась в 3 раза... А что, на ваш взгляд, сегодня движет развитием той или иной области физики?

— В последние несколько десятков лет заказ определяется не политическими, а скорее индустриальными потребностями. Ведь как было раньше? Делалось какое-то открытие, изучалось некоторое явление, выявлялись какие-то математические факты и по прошествии довольно значительного времени они находили воплощение в приложениях. Сейчас скорость внедрения такова, что от открытия до появления технологии проходит буквально несколько месяцев. Вся биофотоника возникла лет семь назад, а сегодня без соответствующей лаборатории не обходится ни один крупный центр фотонных технологий.

Поэтому сейчас на Западе развитие физических дисциплин смещается с физических факультетов в инженерные. Именно там сегодня лучше финансирование и там есть индустриальный заказ. Параллельно снижается финансирование физических факультетов. Это такая общая тенденция, которую я наблюдаю как в Европе, так и в США.

— Значит ли это, что грядет перераспределение средств между фундаментальной и прикладной наукой?

— Вполне вероятно. Прогресс фундаментальной науки зачастую требует очень крупных капиталовложений. Фундаментальная наука становится очень дорогой, поэтому идет международная кооперация, консолидация финансов. Это общее явление. В свое время у нас в Институте Ландау была такая точка зрения, что настоящей физикой являются только непонятые и непознанные явления. А все остальное — приложение. Так что с этой точки зрения в наши дни фундаментальной наукой будет, предположим, изучение темной материи и темной энергии.

— В одном из интервью вы говорили, что качество образования студентов на физических факультетах катастрофически падает. Вы преподаете в США и в России. Это относится к обеим странам?

— Падение интереса к науке — общемировая проблема. Она четко прослеживается почти везде. Видимо, человечеству стоит над этим задуматься, потому что рано или поздно это приведет к каким-то негативным последствиям. Да, я констатирую факт, что качество образования студентов после школы снижается. Тому много причин, одна из них — разрушение системы поиска и последующей заботы о талантливых ребятах, особенно из провинции.

Кроме того, современная российская система школ-интернатов испытывает большие трудности, потому что на них выделяются средства как на обыкновенные школы. Академические институты находят какие-то сторонние источники финансирования, но это не их профиль. Этим систематически должно заниматься государство. В советское время как раз эта система, которую сейчас у нас заимствовал Китай, работала очень хорошо.

— В США будто бы в свое время копировали советскую систему математических школ, а вот про Китай я еще не слышала…

— Когда в Китае я разговариваю с коллегами, то вижу много знакомого — через что в свое время проходили мы. Например, там скопирована советская система олимпиад и отбора лучших учеников. Мне это очень близко, потому что я сам попал в науку именно так. Моя мама была учительницей и выписывала «Учительскую газету», где были напечатаны задания физико-математической олимпиады. Я их решил сразу за все классы и отправил решения по почте. Причем задания были составлены очень мудрыми педагогами, потому что они нивелировали разницу между специализированными школами, которые давали очень хорошие тренинги, и сельскими. Иначе говоря, упор делался на сообразительность, на находчивость, на людей с потенциалом. Сейчас в России этого нет.

— ХХ век многие называют веком ядерной физики. Какая область физики станет флагманом в веке ХХI?

— Самая удивительная область современной физики, на мой взгляд,— наука о Вселенной. Темная материя и темная энергия — это загадочные, удивительные явления, которые были открыты и еще ждут своего объяснения. Изучение и разгадка этих явлений приведет к колоссальному прогрессу в нашем понимании устройства мира. А вот фотоника, о которой мы говорили сегодня, в XXI веке сыграет ту же роль, что паровая машина в XIX или электроника в XX веке.

Беседовала Елена Кудрявцева