Метаматериалы, квантовые компьютеры и сверхтонкие линзы: чем занимается нанофотоника

Когда начнут производить универсальные квантовые компьютеры, где сейчас применяют ультратонкие метаматериалы, как воспитывать новых и привлекать из-за рубежа заслуженных ученых, в интервью Indicator.Ru рассказал специалист в области метаматериалов, нанофотоники и плазмоники, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Пердью (США), член консультативно-научного совета фонда «Сколково» Владимир Шалаев. Беседа состоялась на IV Международной конференции по квантовым технологиям.

— Владимир Михайлович, чем занимается ваша лаборатория, какие темы вас интересуют в науке?

— Нам интересна нанофотоника: как перенести свет на наномасштаб, как его контролировать, манипулировать им, в конечном итоге получить то, что называется nanophotonic circuitry (нанофотонные электронные схемы, — прим. Indicator.Ru), и сделать компьютеры гораздо быстрее, заменяя электронные компоненты на оптические.

— Как эта тема связана с метаматериалами?

— Метаматериалы нужны для того, чтобы перенести свет на наномасштаб, сжать его, переключать, направлять и манипулировать им. Чтобы контролировать его на наноуровне, нужны структуры, сделанные из метаматериалов.

— Intel уже заявляла, что собирается производить компьютеры, в которых некоторые элементы работают по принципам нанофотоники. Когда будут придуманы оптические аналоги всем электронным элементам?

— Вы совершенно правильно говорите, что в компьютерах, которые будут выпускаться уже сейчас, очень много фотонных компонентов, например, интерконнектов. По поводу того, как переключать все, это вопрос непростой. Сейчас электронная промышленность очень хорошо развита, в нее вложены сотни и сотни триллионов долларов. Там, где можно, электроны заменяются фотонами, чтоб делать все быстрее. В то же время электронику, которая обеспечивает функциональность, заменить фотоникой дорого и не так просто. Что касается практического применения, то там очень много факторов, которые играют роль, в том числе и существование отлаженной промышленности. Поэтому в ближайшее время вместо стопроцентной нанофотоники будут развиваться гибридные технологии.

— В плане скорости, обработки информации важнее всего частота. Вы работаете с оптическими частотами. Есть ли какие-то фундаментальные ограничения, которое мешают пойти еще дальше, в ультрафиолетовую область или еще выше?

— Тому, чтобы это реализовать, будут препятствовать материальные проблемы и опять же цена. Для ультрафиолетовой области оптические компоненты, которые управляют фотонами, намного дороже и намного менее эффективны. Скорость определяется частотой, поэтому люди хотят пойти в область высоких частот.

Другой путь, который мне кажется более эффективным для того, чтобы увеличить скорость, с которой вы обрабатываете информацию, — это использование квантовых эффектов и квантовой суперпозиции. За счет того, что называется quantum speedup (квантовое ускорение вычислений, — прим. Indicator.Ru), когда информация обрабатывается параллельно, вы ограничены уже не частотой, а тем, насколько вы можете контролировать это когерентное, запутанное состояние — то, что называется квантовой суперпозицией. Когда вы ограничены частотой — это следующий шаг от электроники, нанофотоника.

— Ваша самая цитируемая работа – это обзор в Nature по метаматериалам десятилетней давности. Он очень оптимистично написан, там говорится про отрицательные показатели преломления, про суперлинзы, про разнообразные антенны и приложения, которые тогда только появлялись. Можно ли сказать, что сегодня что-то из этого уже применяется, хотя бы у многих ученых во многих лабораториях?

— Как говорит мой приятель: «Жизнь не так проста, как кажется, она гораздо проще». Я это писал уже достаточно давно. Тогда мы думали в терминах объемных метаматериалов. Все, что в этом обзоре написано, можно сделать, и в этом направлении есть прогресс. Но оказалось, что переход от 3D- к 2D-метаматериалам (сейчас их называют метаповерхностями) настолько эффективен, что реально таких больших метаматериальных приборов никто не создал, потому что делать это слишком тяжело. Когда параллельно возникла идея метаповерхностей, где все гораздо легче, ученые создали просто огромное количество настоящих приборов. И рекордно тонкая линза, и рекордно тонкая голограмма…

Фактически, один слой метаматериала, и вы делаете оптические линзы, которые намного тоньше, чем длина волны видимого света. Реальное применение метаматериалов пошло как раз от метаповерхностей. Кроме того, это совместимо с планарной технологией, которая используется в электронике.

Такая сверхтонкая оптика, да еще конформная (когда ее можно делать не на плоской, а на изогнутой поверхности), работает уже сейчас. Я ожидаю, что в ближайшее время эта область будет быстро развиваться.

Суммируя: метаматериалы нашли свое применение благодаря метаповерхностям, которые намного легче сделать, они намного дешевле. Благодаря метаповерхностям вся оптика фактически была создана заново в намного меньших масштабах, что принципиально важно. Это приводит и к сенсорам, которые могут быть носимыми на тело, это Google Glasses, Smart Glasses — это все теперь можно реализовать в виде тоненькой пленочки, которая уже включает линзы и прочее. Вся оптика меняется, становится сверхтонкой и конформной. Вот там прогресс просто колоссальный.

— Такие метаповерхности позволяют делать зеркала, толщина которых намного меньше, чем длина волны? Можно ли это, хотя бы потенциально, применить в качестве материала для солнечного паруса? Ведь там как раз и необходима сверхтонкая поверхность, чтобы масса паруса была как можно меньше.

— Несомненно. Зеркала, поляризационные пластинки… Любую оптику, которая существует, используя концепцию метаповерхностей, можно сделать гораздо тоньше.

— Еще у вас были статьи по оптическим свойствам случайных сред. Это очень необычная для обывателей тема. Казалось бы, если мы имеем дело со случайной средой, то при взаимодействии с излучением должны рождаться волны разных частот, некогерентные, и они должны гасить друг друга. Почему какие-то интересные свойства случайных средств вообще появляются?

— Вы коснулись моей «первой любви» в физике. Как это ни странно, она сейчас становится очень популярной. Я уже ушел из этой области, мне долгое время один очень известный физик говорил: «Влад, вот вы умный человек, не надо случайными средами заниматься, люди не любят случайности, люди любят, чтоб все аккуратненько было сделано, упорядоченно». И в какой-то мере это повлияло на меня, и я стал заниматься метаматериалами, которые представляют собой очень упорядоченные структуры. А теперь выяснилось, что и случайными средами колоссально интересуются.

Почему все-таки случайные среды интересны? Прежде всего, я должен сказать, что там потрясающе интересная физика. Это связано с такими фундаментальными вещами, как Андерсоновская локализация: за счет случайности и возбуждения свет оказывается локализован в маленьких областях.

Но в чем, спросите вы, их удивительные свойства? Из-за того что это статистически очень богатая система, получается огромный объем информации, которую вы можете использовать. Например, возбуждая на различных частотах разные точки случайной среды, можно записывать очень много информации. Если научиться не только записывать, но и читать эту информацию, то вместо того, чтобы создавать эти структуры, что дорого и долго, можно использовать природные вещества, которым случайность обеспечивает многообразие, а многообразие, в свою очередь, означает большую информационную емкость. И вот это может быть использовано очень широко, дешево и просто.

— Многие обсуждают идею универсального квантового компьютера. Когда, вам кажется, он будет сделан, чтобы в нем было хотя бы десять полностью связанных кубитов?

— Вы знаете, это зависит от того, с кем вы говорите. Некоторые компании, как D-Wave, например, порождают слишком много хайпа, хотя компьютер у них не универсальный. Но иногда информацию подают так, будто им удалось решить какую-то проблему.

В действительности, конечно, это все сложно реализовать, но, с другой стороны, прогресс в этой области невероятно быстрый. Когда у меня спрашивали, когда метаматериалами заниматься, когда в промышленность можно внедрять, я говорил: «Знаете, сегодня рано, а завтра может быть уже поздно». Так же и с квантовым компьютером. Трудно сказать, потому что там главный вызов для исследователей: как научиться создавать ансамбль многих кубитов, контролировать их, сохранить квантовую суперпозицию.

С другой стороны, прогресс колоссальный. Я говорил с Джоном Мартинисом (глава направления квантового искусственного интеллекта в Google, — прим. Indicator.Ru), он говорит, что, может, в этом году, может, в следующем, но в течение десяти лет уж точно сделаем. Наука тем и прекрасна, что в ней нельзя так угадать. Фундаментально все это, по ощущениям, можно сделать. Поэтому прогноз от одного до, скажем, пяти-семи лет.

— Лет 20 назад вы были директором и преподавателем Красноярской летней школы. Как вы считаете, полезен ли такой способ образования для детей? Нужно ли использовать такую модель? Если бы вы сейчас жили в России, участвовали ли бы в таком проекте?

— Несомненно. Я сужу по себе и по очень многим ученикам этой летней школы — это одна из лучших вещей, которая случилась в моей жизни. Очень важно, чтобы человек находился в атмосфере, где ему постоянно бросают вызов, где постоянно есть какие-то цели, которых тот хочет достичь. Собирать талантливых ребятишек, которые интересуются физикой и математикой, и создавать для них такую атмосферу, где постоянно царит творчество, где они используют свой талант, развивают, по-моему, чрезвычайно важно.

Кстати, в Советском Союзе, а потом и в России очень хорошие традиции школьного образования. В этом смысле Россия впереди планеты всей, это надо не только поддерживать, но и всячески холить и развивать дальше.

— Вы участвовали в образовании Российского квантового центра. Как вы считаете, оказался ли удачным эксперимент с РКЦ и Сколково?

— И то, и другое, по-моему, просто блестящие примеры. С моей точки зрения, это лучшее, что происходит в науке в России. Если говорить о Сколково, Сколтехе, я просто поражен, как быстро такие замечательные изменения происходят. Я, конечно, часто бываю в Сколтехе, мне очень приятно видеть этих ребятишек, как у них горят глаза, насколько они заинтересованы, они там уже начинают ездить на олимпиады, побеждать во всяких конкурсах.

У Российского квантового центра похожая идея: и в том, и в другом случае надо создать ту самую атмосферу творчества, когда таланты могут очень успешно и продуктивно работать. Я действительно участвовал в создании квантового центра. Мы отобрали талантливых ребят, сейчас они сделали лучший исследовательский институт в России, если посмотреть на импакт-факторы, на их публикации. Сотрудников центра ведь не очень много, но они публикуют работы совершенно мирового класса. За такой короткий срок они стали очень заметны.

В конечном итоге все решают люди. Если отобрать таланты, создать для них прекрасную атмосферу для работы, тогда случаются чудеса. И Сколково, и РКЦ могут служить примерами того, как надо строить науку мирового класса.

Ведь наука не может быть второго сорта, она либо наука, либо не наука. Так уж случилось, что из-за разрыва поколений в России наука очень отстала. Это, конечно, катастрофическое событие. Сейчас это все приходится воссоздавать и даже создавать заново. И вот Сколково, Сколтех и РКЦ — это те самые первые замечательные примеры, в которых делается наука мирового уровня.

— Вы высказывались за то, чтобы создать филиал вашей американской лаборатории в России, что это будет оптимальным способом привлечения в страну ученых, уже зарекомендовавших себя в науке. Вы работаете в этом направлении с РКЦ и Сколтехом?

— Это не идеальная и не единственная модель, и я, когда это говорил, имел в виду, что это временно. Потому что довольно трудно из ничего сразу выйти на мировой уровень. В этом смысле проще всего, когда один из ведущих лидеров лаборатории создает филиал: не повторяет, а делает что-то параллельно. Это работает и в Сингапуре, и в Китае, примеров, которые замечательно себя зарекомендовали, очень много. В конкретно в моем случае: я сотрудничаю с квантовым центром, то, что я рассказывал (на конференции, — прим. Indicator.Ru), сделано в тесном сотрудничестве с одним из сотрудников РКЦ, доктором Акимовым (Алексей Акимов, руководитель группы «Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника» в РКЦ, — прим. Indicator.Ru). Может быть, то, что получилось, — это не то, что я изначально обдумывал, потому что это требовало как больших вложений, так и того, чтобы я больше времени проводил в России. Но это правильная идея, когда создается «квазидочерняя» лаборатория. Лаборатория, которая работает на мировом уровне вместо того, чтобы просто получать деньги, оборудование и ждать, что все остальное возникнет просто так.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.