Александр Садовников – заместитель директора Научно-исследовательского института механики и физики СГУ, доцент кафедры физики открытых систем СГУ, модератор секции по квантовым вычислениям, машинному обучению и методам исследования новых материалов и структур Форума молодых ученых стран БРИКС в 2024 году.

– Как работают квантовые технологии?

– Квантовые технологии – это способ обработки информации, который использует законы микромира – мира атомов и элементарных частиц. Чтобы понять разницу, представьте обычный компьютер. Он работает как выключатель: либо «включено» (1), либо «выключено» (0). Вся информация – это бесконечная цепочка таких переключателей.

Квантовый компьютер устроен иначе. В квантовом мире частица может быть не только «здесь» или «там», а в обоих состояниях сразу. Это как если бы у вас был не просто выключатель, а регулятор яркости, который может принимать бесконечное число положений между «вкл» и «выкл». Причем этот регулятор может «договариваться» с другими регуляторами моментально и на расстоянии.

– Почему на них возлагают такие надежды?

– Именно эта способность – обрабатывать множество вариантов одновременно – делает квантовые технологии такими перспективными для сложнейших задач: моделирования молекул, поиска новых лекарств, шифрования данных и искусственного интеллекта.

Допустим, вы ищете нужную книгу в огромной библиотеке. Обычный компьютер будет проверять стеллажи по очереди: ряд за рядом, полка за полкой. А квантовый, грубо говоря, может «заглянуть» во все стеллажи одновременно и сразу сказать, где лежит ваша книга.

Квантовые технологии используют те же микрочипы и наноматериалы, что и привычная электроника, но решают принципиально новые задачи. Например, им нужно соединять отдельные вычислительные элементы не проводами, а чем-то вроде квантовых «мостов». В роли таких мостов могут выступать сверхпроводники (материалы с нулевым сопротивлением) или даже отдельные атомы, «пойманные» в ловушку фотонным лазером.

– А что такое магноника и какова ее роль в квантовых технологиях?

– Магноника – это раздел физики, который изучает магнитные волны в материалах и учится использовать их для обработки и передачи информации вместо электрического тока. В магнонике мы используем для связи особое свойство электрона – спин. Представьте, что электрон – это крошечный волчок, который постоянно вращается. Магноника как раз изучает, как эти «волчки» общаются друг с другом и передают информацию без проводов.

Чтобы стало понятнее, вспомните, как работает обычная электроника. Внутри процессора по крошечным дорожкам бегают электроны – частицы с отрицательным зарядом. Они переносят сигналы, но при этом сталкиваются друг с другом, выделяют тепло и тратят энергию. Это как курьер, который бегает по городу с посылками: он устает, останавливается на перекуры с другими курьерами, тратит силы, и его скорость ограничена.

Магноника предлагает другой подход. Вместо «курьеров» (электронов) используются волны. У каждого электрона есть собственное «вращение» – спин. Когда спины множества электронов в магнитном материале начинают колебаться согласованно, возникает волна – как рябь на воде от брошенного камня. Продолжая аналогию с курьерами, не один доставщик везет посылку до пункта назначения, а она передается от посыльного к посыльному по цепочке, волнообразно. Вот эта волна и называется магноном. Ученые научились запускать такие волны, направлять их и считывать информацию, которую они несут.

Преимущества колоссальные:

• скорость – волны распространяются почти мгновенно во все стороны;
• отсутствие нагрева – нет бегающих электронов, которые сталкиваются и греются;
• энергоэффективность – на создание волны нужно гораздо меньше энергии;
• параллельность – в одном материале могут одновременно существовать тысячи волн, обрабатывая информацию параллельно, а не друг за другом.

Для своих исследований в области магноники ученые постполупроводниковой эры используют магнитные пленки или объемные образцы со сложной структурой. В них мы видим неисчислимое количество спинов, сравнимое со звездами на вечернем небосводе. Они «разговаривают» друг с другом на языке квантовой механики, подчиняясь строгим законам квантового мира.

 

– В какой момент ученые начинают замечать магноны?

– Когда множество электронных «волчков» (спинов) начинают общаться друг с другом и рождается этот особый сигнал. Его можно представить как общую «волну настройки», которая возникает в магнитном материале. Именно эту волну физики и учатся использовать для хранения информации, превращая ее в квантовый бит – кубит. Если обычный бит в компьютере – это «0» или «1», то кубит может быть и тем, и другим одновременно, что открывает невероятные вычислительные возможности. Магнон – один из способов создать такой кубит.

– Что делает магнон привлекательным для прикладного изучения?

– Магноны относятся к классу фундаментальных частиц – бозонов. Если провести аналогию с людьми, то они с удовольствием утром набиваются в метро и едут бок о бок, это их природа. Магноны любят работать вместе, коллективно – без соседей они не существуют. Как это выражается? Электроны в магнитных материалах стоят на своем месте. И в это же время «разговаривают» друг с другом, обмениваются информацией, за счет чего возникает магнон, который мы и регистрируем. Именно эта способность действовать сообща и делает их удобными для создания мощных вычислительных систем, где нужно одновременно обрабатывать много сигналов.

В XX веке ученых интересовало использование сверхнизких температур для пристального вглядывания в мир магнетизма. На холоде магноны менее «разговорчивы» друг с другом, а значит можно «услышать» ноту отдельной частицы. Поэтому мы часто работаем с системами охлаждения, криостатами, особыми технологиями, которые доступны сейчас только в лабораториях. С другой стороны, магнонные структуры привлекают исследователей тем, что все процессы, которые нам интересны, протекают в них даже при комнатных температурах. Это позволяет интегрировать магнонику в полупроводниковые устройства.

– Для чего сегодня нужно развивать квантовую электронику?

– В этой области постоянно идет поиск каких-то изысканных задач, которые могут эффективно решаться квантовыми вычислителями. Важно услышать при этом и пользовательский запрос, под который мы сможем предложить прорывные решения: подобрать нужный материал, использовать преимущества магнонов, найти точки соприкосновения с классическими интерфейсами.

– Сегодня на слуху новости о сверхмощных квантовых чипах и совершенствовании квантовых компьютеров. Магноника может развить квантовый компьютинг?

– Да, магноны уже используются в этой сфере в качестве помощников. Квантовые вычисления могут разворачиваться на разных средах. Например, одна из концепций квантового вычислителя, который разработан в России, основана на ионных кубитах. Вместо ионов могут быть частицы света – фотоны, или магноны.

Магноника сейчас интегрируется в важное направление современной микроэлектроники – квантовую сенсорику, которая используется в компьютинге. Речь о создании сверхчувствительных датчиков на основе NV-центров – «глаз» для квантовых компьютеров. Как создаются эти датчики? На основе алмаза: в его наноструктуру внедряют микроскопические дефекты (NV-центры), которые начинают светиться под воздействием лазера. Представьте, что это крошечные маячки, цвет которых меняется в зависимости от температуры, давления или магнитного поля – так они «чувствуют» окружение. Наша задача – усилить свечение этих маячков с помощью магнонов. Это нужно, чтобы квантовый компьютер мог не просто считать в своей «голове», но и четко «разговаривать» с внешним миром – передавать данные на экран, получать команды от пользователя. Чем чувствительнее такой «маячок», тем точнее и быстрее будет работа всей системы. То есть использование магнонов поможет оптимизировать задачи квантовой сенсорики, которые определяют успешность вычислителя и его сопряжения с интерфейсами.

Магноны также лежат в основе так называемых «резервуарных» вычислений – подхода, который имитирует принцип «ряби на воде». Это не программирование по шагам (как в обычном компьютере), а создание сложной физической среды, которая сама собой обрабатывает информацию. Представьте, что вы бросаете камешек в пруд, и по воде расходятся круги. Если вы бросите два камешка, круги наложатся, и по их рисунку вы сможете понять, где и когда упали камни. В нашей лаборатории мы создали для этого специальное устройство – микроскопическое магнитное кольцо. Если следовать метафоре, то это не просто пруд, а умный «резервуар». Если мы бросаем в него информационные сигналы («камешки»), возникающие от них магнонные волны накладываются друг на друга, и по этому сложному узору можно мгновенно, без лишних шагов, считать информацию. То есть наше магнитное кольцо одновременно принимает множество сигналов и обрабатывает их не последовательно, а все сразу, что колоссально ускоряет вычислительную работу.

Еще мы создаем прототипы квантовых эмуляторов на Бозе-Эйнштейновском конденсате. Что это значит? Магнон живет всего сотни наносекунд, и в этом есть преимущество: я могу образовать магнонный газ и управлять свойствами всей системы в целом. Это схоже с образованием росы. Облако магнонов может оседать и конденсироваться в «магнонную росу» там, где для этого созданы подходящие условия. В такой «росе» можно наблюдать квантовую коммуникацию внутри каждой капли и между соседними каплями. Получать такой конденсат в нашей лаборатории можно при комнатной температуре. Идея квантовых вычислений на основе этого газа последние пять лет очень интересует и теоретиков, и экспериментаторов.

– Под какие задачи сегодня «заточена» магноника?

– Под те, где нам необходимо иметь память и вычислитель в одном месте. Допустим, я начинаю перемножать трехзначные числа друг на друга и при этом вспоминаю правила умножения. И для каждого примера я буду использовать разные трюки, упрощающие задачу. Этот принцип лежит в основе нашего рассудочного мышления, и очень интересно воссоздать его на магнонах. Сегодня эта мечта ученых реализуется в устройствах с принципом Processing In Memory (PIM). Их уже очень много, в частности, на полупроводниковых элементах. Они доведены до рынка и обещают ускорить работу компьютеров, особенно для задач искусственного интеллекта, больших данных и машинного обучения.

Магноника может обогатить эти технологии. Рост скорости обработки информации при увеличении объемов данных имеет ограничения. Такое «бутылочное горлышко» возникает на этапе обмена данными между быстрым процессором и медленной памятью. PIM-устройства превращают «память» в умный вычислительный центр, способный решать задачи на месте.

Эффекты магнетизма исторически применяются для создания запоминающих устройств. Магнитные жесткие диски, магнитная лента, магнитные пластины, кассеты – сегодня «наследники» знакомого нам оборудования ищут себе новое применение. Например, в обработке изображений. Я смогу изменять их, избегая принципы, на которых работают сегодня нейронные сети. Алгоритмы будут основаны не на гибкости языков программирования, а на поиске оптимального решения.

 

– Чем магноника может быть полезна в области больших данных?

– Эти технологии удобны для анализа информации. Сложно даже представить себе плотность магнитных состояний, которые могут быть «записаны» на материале. Количество электронов там неимоверно огромное! И ими можно управлять. Достичь сверхбыстрого анализа, сверхбыстрой обработки данных можно, используя оптику: в этом случае светом мы и переворачиваем спины, и анализируем их состояние.

Принципы квантовой магноники и спин-фотоники позволяют думать о новой парадигме вычислений и передачи информации, которая напоминает работу нашего мозга. А это колоссальные возможности: количество связей между синапсами головного мозга – более 100 триллионов. Ученым интересно наблюдать за «диалогом спинов» по образу механизмов и правил, царящих в мире нейронных связей.

Задача создания нейроморфного, то есть имитирующего мозг, компьютинга широко обсуждается на конференциях мирового уровня. Уже строятся вычислители на основе магнитных материалов для построения метеопрогнозов или прогнозирования сложной динамики хаотических систем. В нашей лаборатории на базе многослойных магнитных переходов создаются устройства, которые пытаются приблизиться к синапсам и связям между ними. Они предназначены для распознавания речи, образов и разворачивания аппарата формальной логики.

– Когда в вузовских лабораториях стало возможным исследовать прикладное применение квантовых технологий?

– Если говорить про магнонику, то важным этапом стал период 1990-2000-х. Тогда почти в каждом европейском и уже во многих российских университетах начали появляться технологии нанолитографии. Они применялись для изготовления нано- и микроразмерных структур. С помощью лазеров или вакуумных установок стало возможным проводить в университетских лабораториях манипуляции на уровне одной миллиардной части метра. То, что до этого делалось только в Силиконовой долине или на крупнейших мировых предприятиях, вышло на новый уровень.

В Саратове коммерческий нанолитограф появился в 2012 году благодаря нашему первому университетскому мегагранту с участием ведущего ученого – директора Научно-исследовательского института механики и физики СГУ Сергея Никитова. В России на тот момент было всего несколько установок такого уровня. Появились технические возможности, сформировался сам тренд на создание микро-наноразмерных структур.

– Они в первую очередь использовались для микро- и наноэлектроники?

– Да, изначально они применялись для создания процессоров, полупроводниковых устройств. В этом смысле их можно назвать «мамой» магноники, на которую сегодня делают ставки в развитии элементов для микропроцессоров нового поколения. У традиционных устройств есть недостатки – выделение тепла, невозможность сверхбыстрого переключения в определенной конфигурации и дальнейшего уменьшения размеров. Ограничения рождают альтернативные пути развития. В какой-то момент стало понятно, что и саму парадигму, сам метод расчета тоже можно изменить. И здесь на помощь приходят квантовые технологии, которые уже в конце прошлого века ученые активно предлагали использовать для области вычислений.

Грубо говоря, у меня есть счеты, на которых я складываю, вычитаю, умножаю. А потом находится математический трюк, который позволяет на них считать быстрее. Вот этими «классическими» счетами как основой остаются структуры, которые создает микроэлектроника на базе нанотехнологий. А новые подходы и «трюки» предлагают квантовые технологии, в их числе – магноника. Благодаря уникальным свойствам – низкому энергопотреблению и высокой скорости работы – магноника может подтолкнуть революцию в области микроэлектроники, телекоммуникаций и квантовых вычислений.

– В чем секрет успеха новых магнитных технологий? Чтобы эффективно использовать магнонику, мы должны подобрать нужный материал и способ воздействия?

– Да, нужно не только исследовать магноны сами по себе – важно обращаться к другим разделам науки. Приведу несколько примеров. При взаимодействии магнетизма и фотоники – то есть при использования лазера, мы переходим к физике сверхбыстрого магнетизма. С помощью коротких лазерных импульсов мы можем изменять состояние системы: скорость будет в тысячу раз превышать значения тактовых частот, которые используются в привычных устройствах.

Если мы наблюдаем за диалогом магнонов и звука, возникает область фононной магноники: ее принципы используются в акустоэлектронике уже не один десяток лет. Другое перспективное направление – сенсоры на основе магнитных структур. У магнонов есть полезное свойство: как любая уважающая себя электромагнитная волна, они не только локализованы в пленках или материалах, но еще и очень любопытны и всегда «смотрят», что происходит вовне. Так я могу регистрировать газ в определенной концентрации, температуру, уровень радиации. Такой сенсор применим в задачах, где необходимы высокая точность измерений или измерения на малом масштабе – например, в области сверхвысоких частот (СВЧ), где скорость и частота работы достигает десятки и сотни гигагерц (а 1 гигагерц – это миллиард колебаний в секунду). Он может быть востребован и в космических исследованиях, где радиационная стойкость является вопросом жизни и смерти любой микросхемы.

– А есть какие-то конкретные прикладные вещи, появившиеся благодаря магнонике?

– Одно из уже готовых применений магноники – это новый тип компьютерной памяти под названием STT-MRAM (можно представить ее как «магнитную оперативную память»). Ее главные козыри – она не боится ни жары, ни холода, ни радиации и, в отличие от обычной флешки, практически не изнашивается со временем. Такие устройства актуальны для задач, требующих повышенной степени надежности, например, в авиации.

– С какими запросами в сфере магноники сегодня приходят в университетскую лабораторию?

– Сейчас мы работаем над проектами, которые связаны с физикой сверхбыстрых явлений, то есть переключением намагниченности. Мы используем уникальную технологию, которая позволяет исследовать свойства магнонов при комнатных и криостатных температурах в частотах от одного гигагерца до полутора терагерц с колоссальным разрешением. С помощью спектроскопии мы характеризуем материал и говорим, на каких частотах в нем обнаруживается намагниченность, понимаем, на какой частоте магнон будет излучаться и как его можно «поймать».

Поступают запросы и в области неразрушающего контроля материалов. В этих случаях мы изучаем целостность материала, его строение. Отдельный интерес наблюдаем со стороны медиков. Например, мы помогаем исследовать адресную доставку лекарств. Мы создали систему, которая одновременно определяет жесткость клетки и присутствие в ней лекарственных средств. С ее помощью мы понимаем, что лекарства дошли до нужной зоны и следим за динамикой цитоскелета клеток – как будто делаем МРТ-исследование для отдельно взятой клеточки.

– Такая экспертиза возможна благодаря особому оборудованию?

– Да, в нашей лаборатории на протяжении 12 лет работает мощный комплекс мандельштам-бриллюэновской спектроскопии. Это, если говорить просто, сверхточный «микроскоп» для магнитных волн. В такой конфигурации он единственный в стране, ему присвоен статус уникальной научной установки. Он настолько чувствителен, что способен «увидеть» колебания в миллиарды раз меньшие, чем толщина человеческого волоса. Это позволяет нам изучать состояние магнонного газа и наблюдать за его эволюцией.

 

Источник: РБК