«Электроника зашла в тупик»

Почему именно свет сегодня стал объектом изучения физиков во всем мире

ОгонёкHi-Tech

«Электроника зашла в тупик»

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

Беседовала Елена Кудрявцева

Профессор Сколтеха Ильдар Габитов — крупнейший специалист в области управления потоками света. Фото Евгений Гурко

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?

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Художник осязаемого Художник осязаемого

Якоб Йорданс в ГМИИ им. А.С. Пушкина

Огонёк, сентябрь'19
Перешли по ссылке Перешли по ссылке

Сегодня трудно представить детей, не знакомых с гаджетами

Cosmopolitan, сентябрь'19
О принципах О принципах

Мысли и цитаты великих людей

Forbes, сентябрь'19
И все-таки мы вместе И все-таки мы вместе

Автор лучшего блога недели пишет колонку специально для нашего журнала

Grazia, октябрь'18
10 известных футболистов, конфликтовавших с законом 10 известных футболистов, конфликтовавших с законом

Кокорин и Мамаев оказались в весьма звездной компании

Maxim, октябрь'18
Роковое влечение Роковое влечение

Паулина Андреева тайно призналась в любви другому мужчине

StarHit, октябрь'18
Слушать своё тело Слушать своё тело

Медитируйте на физических ощущениях, чтобы чувствовать себя спокойным

Yoga Journal, ноябрь'18
Что говорить на собеседовании — правду или то, что от тебя хотят услышать? Что говорить на собеседовании — правду или то, что от тебя хотят услышать?

Сделай работу своей мечты работой своей реальности!

Maxim, октябрь'18
Когда погаснет БАК Когда погаснет БАК

Мегапроекты, которые придут на смену Большому адронному коллайдеру

Популярная механика, ноябрь'18
Полный вперед: 10 компаний, которые изобретают будущее Полный вперед: 10 компаний, которые изобретают будущее

Компании, которые серьезно изменили нашу реальность

Men’s Health, октябрь'18
Возраст любви Возраст любви

Аль Пачино нашел новую возлюбленную среди подруг бывшей гражданской жены

StarHit, октябрь'18
Молодые и дерзкие Молодые и дерзкие

Сравнительный тест Lexus IS 300 и Genesis G70

АвтоМир, октябрь'18
Непаханое поле: как заработать на онлайн-калькуляторе удобрений Непаханое поле: как заработать на онлайн-калькуляторе удобрений

Фермеры побаиваются новых технологий

РБК, октябрь'18
Антон Севидов: «Чтобы не останавливать свое развитие, не нужно погружаться в прошлое» Антон Севидов: «Чтобы не останавливать свое развитие, не нужно погружаться в прошлое»

Антон Севидов – о нежелании думать о годах и полной концентрации на будущем

Grazia, октябрь'18
Легко на сердце Легко на сердце

Болезни сердца и сосудов среди причин смертности в мире занимают первое место

Лиза, октябрь'18
Cамые красивые декорации на парижских показах весна-лето 2019 Cамые красивые декорации на парижских показах весна-лето 2019

Все, чем запомнилась нам эта Неделя моды

Vogue, октябрь'18
Фантастика в открытом поле Фантастика в открытом поле

Иннополис – город, в котором нет старости

Популярная механика, ноябрь'18
Эксперты назвали топ-10 самых бесполезных медицинских процедур Эксперты назвали топ-10 самых бесполезных медицинских процедур

Пиявки, которые тебе ставят от ипохондрии поликлинике, давно вышли из моды

Maxim, октябрь'18
Золотые руки Золотые руки

Финансист, золотопромышленник, директор музея — Наталия Опалева

Forbes, ноябрь'18
Приходя в сознание Приходя в сознание

Французский писатель Бернар Вербер объясняет, чем философия лучше секса

GQ, ноябрь'18
Так создавалась легенда Так создавалась легенда

Рами Малек поговорил с Grazia о чудесах перевоплощения во Фредди Меркьюри

Grazia, октябрь'18
Выноси готовенького Выноси готовенького

Практичные советы по оформлению кухонь от дизайнеров

AD, ноябрь'18
Личное место силы Личное место силы

Преподаватели йоги об особенном энергетическом пространстве — своём доме

Yoga Journal, ноябрь'18
Михаил Шемякин Михаил Шемякин

Правила жизни Михаила Шемякина

Esquire, ноябрь'18
Не красней без повода Не красней без повода

Почему возникает купероз и что с ним можно сделать

Лиза, октябрь'18
Lada Kalina: наследственность Lada Kalina: наследственность

Запас прочности Lada Kalina

АвтоМир, октябрь'18
Forza Horizon 4 Forza Horizon 4

Каждая погода – благодать

Игромания, ноябрь'18
«Противопоставлять государственную и частную медицину нельзя» «Противопоставлять государственную и частную медицину нельзя»

Леонид Рошаль рассказал, почему частные клиники не заменят государственные

Forbes, ноябрь'18
Времён очаковских и покоренья Крыма Времён очаковских и покоренья Крыма

Как императрица Екатерина II присоединила к России Северное Причерноморье и Крым

Дилетант, ноябрь'18
С Думой о мире С Думой о мире

Мирослава Дума пересмотрела взгляды на моду и свой гардероб

Vogue, ноябрь'18