«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

Герои Герои

Петух Морис, Николас Сомс, Ахмад Масуд-младший, Артем Лебедев

Огонёк, сентябрь'19
Нулевая ступень Нулевая ступень

Весной 2019 года в небо поднялся самолет с самыми большими крыльями в истории

Популярная механика, сентябрь'19
Гейм сет матч Гейм сет матч

Так выглядит матч-пойнт от латвийской красотки Ольги де Мар

Playboy, август'19
Боевые искусства помогли тараканам спастись от зомбирующих ос Боевые искусства помогли тараканам спастись от зомбирующих ос

Таракан, вовремя заметивший врага, умеет от него отбиваться

National Geographic, октябрь'18
С Думой о мире С Думой о мире

Мирослава Дума пересмотрела взгляды на моду и свой гардероб

Vogue, ноябрь'18
Чудеса на виражах: 10 автоприключений Чудеса на виражах: 10 автоприключений

Автомобили созданы не только для перемещения из точки А в точку Б

National Geographic, октябрь'18
Андрей Данилко: «Хочу семью и детей, но для меня это непросто» Андрей Данилко: «Хочу семью и детей, но для меня это непросто»

Создатель Верки Сердючки о вредных привычках, страхах и проблемах со здоровьем

StarHit, октябрь'18
200 месяцев вопреки! Часть 2 200 месяцев вопреки! Часть 2

Лучшие фотографии и обложки за 15 лет

Maxim, ноябрь'18
Топ-20 российских регионов, популярных у иностранцев Топ-20 российских регионов, популярных у иностранцев

Какие российские регионы привлекают иностранцев

National Geographic, октябрь'18
Наталья Бардо о том, как оставаться модной в холода Наталья Бардо о том, как оставаться модной в холода

Носить куртки, шапки и быть женственной

Vogue, октябрь'18
Жажда жизни Жажда жизни

Джастин Руки-ножницы. Как поп-принц Тимберлейк решил стать дизайнером

GQ, ноябрь'18
Анекдоты Анекдоты

Анекдоты месяца

Maxim, ноябрь'18
Управляющие ввязались в плохую кампанию Управляющие ввязались в плохую кампанию

Управляющие ввязались в плохую кампанию

Эксперт, октябрь'18
Дело хозяйское Дело хозяйское

Марина Геворкян о принципах, которыми она руководствуется в работе и жизни

СНОБ, октябрь'18
Как будет выглядеть банк через 20 лет — сказать просто, через 5 лет — очень сложно: интервью СЕО Альфа-Банка Как будет выглядеть банк через 20 лет — сказать просто, через 5 лет — очень сложно: интервью СЕО Альфа-Банка

Как именно Альфа-Банк собирается вновь стать неоспоримым технологическим лидером

РБК, ноябрь'18
Когда Бог силен в твоем теле Когда Бог силен в твоем теле

Суфизм: тайная мистика в сердце Чечни и Ингушетии

Русский репортер, октябрь'18
Рацион попаданца Рацион попаданца

Чем питались в древней Греции, Риме и Египте

Мир Фантастики, ноябрь'18
Йога и гормоны Йога и гормоны

О практике и балансе эндокринной системы

Yoga Journal, ноябрь'18
“Я” бывают разные “Я” бывают разные

Попробуем распознать особенности своего «Я»

Psychologies, ноябрь'18
Голикова поддержала здоровую конкуренцию Голикова поддержала здоровую конкуренцию

Запрет на госзакупки иностранных медицинских изделий не прошел согласование

РБК, октябрь'18
Игровой клуб. Настольные игры Игровой клуб. Настольные игры

5 причин взяться за большие настолки

Мир Фантастики, ноябрь'18
Как чудовище Франкенштейна влияет на мир моды Как чудовище Франкенштейна влияет на мир моды

Почему готическая история фанатичного доктора стала источником вдохновения

Vogue, октябрь'18
Рискнули на $99 млрд Рискнули на $99 млрд

Аналитики PwC представили обзор мирового венчурного рынка

РБК, октябрь'18
Полное погружение Полное погружение

Квартира в стиле советского конструктивизма в доме работников Наркомата

AD, ноябрь'18
Наталья Османн: «Каждый должен знать, что может изменить мир» Наталья Османн: «Каждый должен знать, что может изменить мир»

Наталья и Мурад Османн отмечают семилетие блога #FollowMeTo

Grazia, октябрь'18
Нефтяники остались в заморозке Нефтяники остались в заморозке

Правительство настояло на стабилизации цен на топливо

РБК, октябрь'18
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

МКС может завершить работу через шесть лет. Что будет дальше?

Популярная механика, ноябрь'18
Звездные войны Андрея Могучего Звездные войны Андрея Могучего

Андрей Могучий – одна из самых ярких фигур на российской сцене

СНОБ, октябрь'18
Разбогатели на бумаге Разбогатели на бумаге

В большинстве регионов бюджеты исполняются с профицитом, но богаче они не стали

Эксперт, октябрь'18
Стражи леса: неконтактные племена Амазонки (часть I, Бразилия) Стражи леса: неконтактные племена Амазонки (часть I, Бразилия)

Дождевые леса Бразилии и Перу — последние на планете неконтактные племена

National Geographic, октябрь'18