Ваши научные интересы связаны с полупроводниковыми наноструктурами и квантовыми точками. Какие наиболее значимые исследования проводятся в этих областях?
Самый «знаменитый» на сегодня полупроводник – это, вероятно, кремний. Сейчас ведутся исследования по тому, как использовать его для создания кремниевых чипов и электронных схем, которые мы можем использовать в жизни. Второе популярное направление связано с излучением света, которое также можно получать с помощью так называемых полупроводников III-V типа. Каждый день люди сталкиваются с устройствами, которые используют световую эмиссию, но просто не задумываются об их природе: а это LED-телевизоры, фары на автомобилях, сигналы светофора. Интернет не был бы возможен без полупроводниковых излучателей света. И сейчас современные исследования связаны с тем, как добиться светового излучения отдельными фотонами с помощью полупроводников. Я, среди прочего, работаю над этой задачей. Здесь важно понимать, что, когда мы имеем дело с несколькими фотонами, законы физики отличаются от тех классических правил, которые бы работали, если взять поток из миллионов фотонов. Когда фотоны «выпускаются» один за другим, в таких системах появляются квантовые свойства света. Для того чтобы добиться такого излучения единичными фотонами, мы используем квантовые точки. Это очень маленький объект, состоящий из атомов в количестве от 10 до 100 тысяч, и именно он испускает фотоны.
Зачем необходимо «раскладывать» свет на фотоны?
Это важно для создания квантовых компьютеров, для коммуникаций и криптографии, в первую очередь. Это те области, работа в которых может принести свои ощутимые плоды в ближайшем будущем, особенно криптография. Если вы передаете информацию отдельными фотонами, то вы сразу же узнаете, если кто-то попытается перехватить данные. Квантовые компьютеры – это не такая близкая перспектива, реально начать использоваться они могут только лет через 10 или даже 20. Но они позволят производить операции, которые недоступны современным компьютерам, поэтому крупные компании типа Google или Microsoft активно инвестируют в разработки в этой области. Во всем этом контексте моя работа важна, потому что мы хотим использовать твердотельные системы (solid state systems) для квантовых приложений и создавать квантовые микросхемы с помощью полупроводников III-V типа, в том числе. При этом будущие квантовые компьютеры должны быть маленькими, не как те первые ЭВМ, которые занимали целые комнаты.
Почему нам так долго придется ждать квантовых компьютеров? Трудно заставить фотоны взаимодействовать друг с другом?
Да, трудности, скорее, в научной области и да, фотоны действительно не взаимодействуют друг с другом, но мы работаем с квантовыми точками, которые испускают фотоны. А квантовые точки уже могут взаимодействовать между собой. Есть два технологических вызова. Во-первых, для компьютеров нового поколения необходимо создать множество элементов, способных управлять большим количеством кубитов (в современных схемах для квантовых вычислений, максимальное число кубитов, работающих одновременно, примерно 16). Во-вторых, квантовое состояние очень непостоянно и сильно подвержено влиянию факторов внешней среды. Поэтому нам надо как-то изолировать наши кубиты, чтобы внешние воздействия никак не могли влиять на их свойства. Пути решения этих проблем уже осознаны учеными, но это очень сложно и ресурсозатратно, это работа не одного года.
Вы являетесь соруководителем исследований гибридных состояний света в веществе в низкоразмерных квантовых материалах, которые проводятся в Университете ИТМО по мегагранту. Результаты этой работы как-то качественно повлияют на методики «манипулирования» светом?
В рамках мегагранта мы будем исследовать полупроводники и новый материал толщиной в один атом, свойства которого позволяют эффективно манипулировать светом в волноводах. Мы будем изучать, как можно усилить взаимодействие света и материи, а также создать гибридные состояния света, поляритоны, которые в отличие от фотонов могут взаимодействовать между собой как массивные частицы. Но эффективность их взаимодействия очень высока, поэтому не нужно много света, чтобы получить необходимый результат в этом случае. Кроме того, в рамках мегагранта мы создадим международную лабораторию, которая будет исследовать полупроводники.
Каковы приложения для таких гибридных состояний света?
Во-первых, мы можем создать поляритонный лазер, который гораздо эффективнее, чем обычные устройства. Такой лазер можно будет использовать для передачи оптических сигналов. Во-вторых, очень перспективно изучить, как использовать солитон в качестве носителя информации. Главное свойство солитонов в том, что это электромагнитное излучение не рассеивается во все стороны, а очень локализовано и направлено. Поэтому у них практически нет энергетических потерь, значит, они могут доставлять информацию неизменной. Кроме того, очень важно запускать световой сигнал по волноводу так, чтобы он был детектирован в определенном месте, а не случайным образом. Благодаря солитонам это возможно. Мы будем стараться создавать поляритонные системы и схемы, где информация будет «переноситься» солитонами.
Если говорить о мировой науке в общем, какие события, на ваш взгляд, могут сильно изменить нашу жизнь?
В последние два года меня очень вдохновило и впечатлило открытие гравитационных волн. Да, это впечатлило всех, но для меня открытие имело дополнительный смысл. Оно показало важность долгосрочных научных исследований и фундаментальных разработок. Ведь гравитационные волны были предсказаны уже около 100 лет назад. Понимание того, что это за волны и как стоит их искать, был, но потребовалось очень много интеллектуальных и финансовых инвестиций в эту область, чтобы мы наконец-то получили этот потрясающий результат. Открытие гравитационных волн – это долгая история развития технологий, в том числе технологий детектирования фотонов, которые также невозможны без полупроводников и лазеров. Именно такие примеры важно приводить политикам, чтобы они понимали научный процесс и важность науки. И большинству людей тоже понятен смысл открытия гравитационных волн и то, как именно это было сделано и насколько это вдохновляюще.
Сейчас часто можно услышать о «технологической грамотности», о том, что сегодня стыдно не интересоваться наукой. Но зачастую людям сложно понять такие вещи, как нанофотоника или метаматериалы…
Так везде, и это вполне естественно. Иногда мы проводим опросы среди студентов и спрашиваем, в каких научных областях они заинтересованы больше всего. И обычно это астрономия и физика высоких энергий и элементарных частиц. Если сказать им, что можно заниматься лазерами, то они отвечают, что, да, это интересно, но астрономия интересней. Квантовые компьютеры тоже привлекают внимание студентов, а также общества в целом. В моем университете мы недавно запустили курс «Квантовая оптика» для бакалавров, и он очень популярен. Если бы мы предложили студентам этого курса изучать только лазеры, то мало кто бы на него записался. Дело в том, что квантовые технологии – это технологии будущего, которые изменят значительную часть нашей жизни. И в этом урок всем ученым: нужно стараться заниматься теми вещами, у которых есть потенциал сильно повлиять на общество. Также сегодня очень актуальна робототехника, в эту область идут большие инвестиции, потому что в будущем она также существенно повлияет на уклад жизни.
В этом большую роль играет и научная коммуникация, иначе как обществу узнать о будущих прорывах?
Безусловно. Я не знаю, как это происходит в России, но у нас в Соединенном Королевстве, когда ученый пишет заявку на получение гранта, он обязан заполнить раздел о том, как он будет вовлекать общественность в свои исследования. В моем университете есть молодые сотрудники, снимающие научно-популярные видео для YouTube, которые будут понятны человеку с минимальными познаниями в науке. Также мы представляем свои разработки на выставках, причем делаем это таким образом, чтобы выставку могли посетить школьники. И наконец, для любого ученого, для любого университета важно уметь делать концепт исследований масштабируемым и понятным для общества и потенциальных инвесторов. Тогда в него будут верить и вкладываться.
