Лазерный мир

О своем открытии и современной физике ученый рассказал в эксклюзивном интервью:

В мае российский физик, почетный профессор ВлГУ Алексей Кавокин стал лауреатом престижной международной премии по квантовым приборам Quantum Devices Award. Премия вручена за «предсказание бозе-эйнштейновской конденсации экситон-поляритонов при комнатной температуре». Какие физические эффекты стоят за этой сложнейшей формулировкой, чем сейчас занимаются российские ученые в этой сфере и каково практическое применение их открытий — Алексей Кавокин, давний друг владимирского университета, постоянный участник научных конференций вуза, рассказал в эксклюзивном интервью начальнику отдела по связям с общественностью ВлГУ Наталье Шапшай.

О значимости премии

— Премия дается за достижение в очень узкой научной области и одному человеку, в отличие от Нобелевской. Я рад, что мне дали премию, это в первую очередь означает, что не так плохи дела в России в сфере квантовых технологий. Значительная часть моих работ, за которые премия и была присуждена, сделана именно в России и в том числе при участии научных сотрудников ВлГУ. Квантовая физика — та область науки, которая сегодня развивается наиболее быстро и оказывает серьезное влияние на нашу жизнь. Вспомним 90-е годы прошлого века и сравним с днём сегодняшним. Тогдашние громоздкие телефоны невозможно сравнить с устройством, которое сегодня заменяет и компьютер, и фотоаппарат, и видеосвязь с любой точкой мира. Всё это квантовые приборы разного типа, которые уже вошли в нашу жизнь.

— Возожно ли объяснить неспециалисту, в чем состоит открытие, за которое вручена премия?

— Альберт Эйнштейн в 1924 году предложил новый эффект, который вошел в учебники под названием «бозе-эйнштейновская конденсация». Что это такое? Представьте себе автомобильную дорогу, по которой движутся несколько десятков тысяч автомобилей. Кто-то из водителей ускоряется, кто-то притормаживает. А если бы все эти тысячи автомобилей ехали с одинаковой скоростью, то это позволило бы избежать пробок. Фактически это условный пример бозе-эйнштейновской конденсации. В физике это означает, что множество квантовых частиц попадает в одно и то же квантовое состояние — словно сговорившись, движутся с одной скоростью. Теоретически эффект был предсказан, но потребовалось около 75 лет для его экспериментального подтверждения.

В конце прошлого века явление наконец обнаружили в разреженных газах атомов щелочных металлов – за это в 2001 году была вручена Нобелевская премия двум группам американских ученых. При этом эксперимент проводился при сверхнизких температурах (около абсолютного нуля). Однако невозможно создать прибор, который будет работать при такой температуре. Открытие в итоге осталось примером красивой фундаментальной науки.

Тогда же я с моими французскими коллегами задумался, каким образом можно перенести открытие в повседневную жизнь. В 2003 году мы опубликовали научную работу – теоретическое предсказание, не очень надеясь, что скоро увидим ее практические плоды. Но работу в этом направлении начали – я был координатором европейского проекта. В 2007 году в Университете Саутгемптона, в котором я работал на тот момент, предсказанное нами явление было все-таки обнаружено! Это был настоящий научный прорыв: от одной стомиллионной градуса мы перешли к комнатной температуре!

После этого мы задумались о пользе нашего открытия для народного хозяйства. Последние 13 лет моей научной деятельности в основном посвящены разработке приборов, действие которых основано на этом явлении. Собственно, в

формулировке премии сказано, что она присуждена за теоретическое предсказание явления, которое привело к появлению нового класса полупроводниковых приборов и поляритонных лазеров.

Приручение света

— Поляритонные лазеры лучше, эффективнее обычных?

— В чем-то даже хуже из-за своей малой мощности. Мы привыкли еще со времен советской фантастики думать, что лазеры – это такая оптическая пушка, которой можно сбивать ракеты. На самом деле лазер – это «лампочка», которая излучает свет строго определенной длины волны. Но для производства такого когерентного света обычный лазер затрачивает много энергии. Поляритонный лазер, в отличие от него, рекордно экономичный: для излучения требуется минимум ресурсов. Это

принесет пользу там, где необходимо экономить энергию, например, при межзвездных перелетах.

Но главное другое: свет в этом лазере находится в форме «свет-жидкость». Разберем отличия. Свет – это поток квантовых частиц (фотонов), летящих с одной скоростью, фазой, направлением: они не чувствительны к электромагнитному полю, не взаимодействуют друг с другом. Вот почему из света трудно делать какие-либо приборы. «Свет-жидкость» образуется в кристалле, за счет взаимодействия с кристаллической решеткой кванты света начинают вести себя как молекулы воды: цепляться друг за друга, формировать капли, водовороты, волны. Свет может стать очень медленным, его можно направлять и заставить течь по определенным каналам. Это свойство оказывается очень важным для создания квантовой памяти и квантового компьютера – атомной бомбы XXI века, оружия, которое взламывает коды.

— Но квантовые компьютеры уже существуют. В чем принципиальное отличие?

— Квантовые компьютеры делают разными способами. Например, корпорации Google или IBM создают их при сверхнизких температурах на основе сверхпроводников. И тут приходим мы с новой технологией, когда когерентное состояние «свет-вещество», очень похожее на сверхпроводимость, реализуется при комнатной температуре. Естественно, это сильно меняет технологии. Приборы на основе «свет-жидкость» легко интегрировать на микрочипы, в классическую микроэлектронику. Конечно, стоимость несопоставима. Если одна машинка Google стоит не меньше 10 млн долларов, то компьютер на основе «свет-вещество» будет не дороже обычного мобильного телефона. Квантовые компьютеры – это та сфера, где наш поляритонный лазер скажет свое веское слово. Это многомиллиардный бизнес.

Сейчас у нас два главных направления деятельности – разработка алгоритмов квантового компьютера на основе поляритонных кубитов и изучение сверхпроводимости при помощи состояния «свет-жидкость».

— Вы назвали квантовый компьютер «атомной бомбой XXI века». Все так серьезно?

— Сегодня одна из главных проблем международной безопасности – информационная. Банковские операции, контроль за крупным производством, военные операции – всё это и многое другое делается по удаленной связи. Это небезопасно, поскольку все современные системы защиты основаны на определенных математических алгоритмах, которые небезупречны и поддаются взлому! Опасность реальная, над созданием средств защиты сегодня работают квантовые физики.

С другой стороны, развивается наступательное оружие – квантовый компьютер. С его помощью атаковать информационную систему можно будет за несколько секунд, так как взлом пройдет не путем перебора комбинаций, а одновременным их изучением. Крупные державы сейчас соревнуются в квантовых разработках. Я занимаюсь фундаментальной физикой, а не компьютерным взломом. Мой научный интерес – изучить физические явления, на основе которых развиваются и средства нападения, и средства защиты.

Владимирская научная школа совершенно потрясающая. Надеюсь, что у меня будут новые аспиранты и постдоки из ВлГУ. Конечно, надо идти в науку. Есть, конечно, популярные профессии – экономика, юриспруденция, например. Но там уже колоссальное перенасыщение, высокая конкуренция. А наука сейчас стала двигателем экономики.

Человек, получивший образование по направлениям физики, никогда не пропадет и не останется без работы. Даже в банковской сфере востребованы физики – люди,

мыслящие далеко не абстрактно и привыкшие приспосабливать модели к сложной реальности, описывать сложные вещи простыми словами».

СПРАВКА «КП»

Алексей Кавокин возглавляет Международный центр поляритоники и является профессором Университета Вестлейк (Китай), профессором Саутгемптонского университета, руководителем научной группы в Российском квантовом центре и лаборатории оптики спина им. И.Н. Уральцева Санкт-Петербургского государственного университета.

Почетный профессор ВлГУ, в его группе работает четыре выпускника кафедры физики и прикладной математики ВлГУ: научные сотрудники кафедры физики и прикладной математики ИПМФИ Стелла Кутровская, Игорь Честнов, Евгений Седов и Севак Демирчян. Они задействованы в научных работах Международного центра поляритоники в Ханчжоу, Китай. Владимирские ученые строят и оснащают лабораторию, аналогов которой нет в мире. В ней будут выращивать самые тонкие в мире провода – толщиной всего в один атом, изучать в них электронный транспорт и создавать на этой основе самые миниатюрные чипы.

ИСТОЧНИК https://www.vladimir.kp.ru/daily/27138/4230347/