Как рождаются технологии

Технологии появляются, развиваются, выходят из лабораторий и внедряются в нашу повседневную жизнь. Потом аппетиты прогресса растут, старые технологии оказываются недостаточно продвинутыми, ученые ищут новые, и цикл жизни запускается снова.

 

Сначала существование технологии может быть только научной фантастикой. Хотя очень многие технологии так и остаются сказочными, какой-то процент все же становится объектом более серьезных научных исследований. 

Если обнаруживаются какие-то интересные свойства и потенциальная возможность коммерциализации, находится дополнительное финансирование, которое эффективно отрабатывается, — получаются прототипы и коммерческие образцы. 

Если коммерческие образцы успешны, они привлекают к себе больше внимания и денег. Технология развивается, и если она достаточно хороша, большие научно-технические игроки начинают обращать на нее внимание: она может стать одним из приоритетных направлений развития. На этом этапе вкладываются совсем другие деньги, подключаются все уровни разработок — от фундаментальных институтов до маленьких стартапов. И технологии идут в жизнь.

В какой-то момент улучшения выходят на плато, большие вложения уже дают небольшой прирост эффективности и не окупаются. Люди начинают искать альтернативные технологии, которые сменяют предыдущие и развиваются по такому же циклу.

Под технологией мы будем здесь понимать совокупность научных знаний, методов и инструментов для решения каких-то определенных задач. Причем эта совокупность относится к конкретному классу объектов, объединенных общим физическим принципом. Давайте посмотрим, как общие закономерности, приведенные выше, проявляются в случае конкретных технологий. 

 

Графен

Графеновые технологии объединяют всевозможные ситуации применения двумерного углерода для решения конкретных задач. Ученые в лаборатории хотят «пощупать» свойства материала, инженеры с помощью найденных интересных свойств — улучшить характеристики материалов или создать новые устройства. Бизнесмены раньше других стремятся найти среди множества научных разработок «золотое дно», развить его и, естественно, заработать.

Давайте проследим, какой путь проделал графен в своей стремительной «карьере».

 

Невозможное возможно

Лев Ландау, лауреат Нобелевской премии по физике 1962 года и один из отцов-основателей Физтеха, показал, что двумерные кристаллы нестабильны и не могут существовать из термодинамических соображений. «К графену никто не относился серьезно, потому что вроде бы как классики сказали — быть того не может! Гейму и Новоселову дали Нобелевскую премию не за открытие графена, про него знали и раньше. У них просто хватило смелости заглянуть туда, куда другие не заглядывали, полагаясь на вес авторитетов», — говорит Валентин Волков, директор Центра фотоники и двумерных материалов.

После пионерских опытов Андрея Гейма и Константина Новосёлова по получению и изучению графена в 2002–2004 годах и после присуждения им Нобелевской премии в 2010-м интерес проснулся громадный. Всего за 9 лет Манчестер превратился в «графеновый город»: создали Национальный графеновый институт, вокруг которого выстроен инжиниринговый центр. А вокруг инжинирингового центра выросла целая экосистема из частных компаний, которые пытаются претворять научные наработки в реальные продукты. Китай, Европа и Америка тоже не отстают.

По мнению Валентина, графен от «лабораторной» до «приоритетной» стадии пробежал быстро: «Это естественный процесс, так устроена наша цивилизация. Бронзовый век был гораздо короче каменного. Полупроводники прошли путь от идей до внедрения за 70 лет, а графен, можно сказать, за 15. Ускорение в развитии связано с современными возможностями общества обрабатывать информацию, которые несоизмеримы с тем, что было в ХХ веке».

Сегодня, если вам захочется и найдется достаточная сумма, вы можете купить себе немножко графена или устройство с графеном в составе. Технологии уже близко, но до вхождения в массы и, соответственно, доступных среднему потребителю цен надо еще подождать.

 

Смена для графена

Могло случиться и так, что первым двумерным материалом стал бы не графен, а какой-то его аналог. Сейчас фокус постепенно смещается: плоский углерод не оправдал всех ожиданий, так пока не смог заменить кремний в полупроводниковых технологиях и не совершил той революции, которой от него ждали. 

Остальные двумерные материалы пока только «разогреваются». Какие из них выйдут на первый план и «затмят» графен, сказать сложно. Это могут быть популярные сегодня дихалькогениды переходных металлов или черный фосфор. Большой интерес вызывает новый класс искусственных материалов на основе комбинации различных двумерных материалов, так называемые ван-дер-ваальсовы гетероструктуры. А совсем недавно ученые заговорили о двумерном золоте и серебре.

 

Квантовые технологии

Квантовые технологии — это знания, методы и инструменты, которые в основе используют квантовую физику. 

Грубо говоря, эти технологии существуют еще со времени появления таких вещей, как лазер, полупроводники, транзисторы. У «старых» квантовых технологий есть особенность: мы не оперируем с одиночным квантовым объектом или суперпозицией состояний. Есть какое-то макроскопическое свойство, которое объясняется квантово-механической теорией. Такие технологии появились примерно в 50–60-х годах, ознаменовав первую квантовую революцию.

Сегодня, когда говорят «квантовые технологии», подразумевают возможность манипулировать одиночными квантовыми объектами. В этой тематике все началось с теоретических работ Ричарда Фейнмана, где он предсказал, что можно использовать манипуляции с одиночными квантовыми объектами для того, чтобы производить квантовые вычисления. 

Где-то в 90-х годах прошлого века стали развиваться теоретические основы квантовых вычислений. Тогда же научились манипулировать одиночными естественными атомами или ионами в ловушках. В 1999 году создали первую искусственную сверхпроводящую систему. Можно сказать, что в это время зародились современные квантовые технологии и произошла вторая квантовая революция. 

По словам Ивана Храпача, заместителя заведующего лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ, и тогда, и сейчас квантовые технологии в большей степени — удел ученых: «Последние пять лет подключаются такие большие корпорации как Google, IBM, Microsoft и другие. И можно сказать, что квантовые вычисления из технологии лабораторного эксперимента превращаются в технологию, которую хотят как-то применить на практике для народного хозяйства. Но пока это такой интерес, когда рискуют и вкладывают деньги, хотя не очень понятно, где эти технологии выстрелят».

Иван также рассказал, что квантовые технологии отличаются от, например, графеновых тем, что в своем развитии идут впереди задачи. Мы не знаем толком, для чего мы хотим прямо сейчас применять квантовый  компьютер. Мы знаем, что он будет определенно полезен, но не знаем, где он будет полезен больше всего. 

Сейчас скорее придумывают задачу под те квантовые компьютеры, которые уже умеют строить. В теории известно, как построить универсальный квантовый компьютер, каким критериям должно подчиняться это устройство. Предполагается, что найдется широкий класс задач, которые квантовые компьютеры решали бы быстрее обычного. Правда, пока ученые не умеют такие компьютеры строить. Сейчас создаются некие переходные устройства — системы кубитов. Чтобы показать, что они что-то могут решать лучше классического компьютера, придумывают специальную задачу для демонстрации так называемого квантового превосходства. 

«Когда появился двумерный углерод, уже была уйма задач, где его можно было сразу применять: транзисторы, гибкие экраны, оптоэлектроника. Надо было доказывать не то, что вы с графеном можете что-то делать, а то, что вы это можете делать лучше, чем существующими технологиями. Но принципиально было понятно: вот я беру кусок графена, подвожу к  нему такие-то контакты, подаю такие-то потенциалы — и устройство работает. Прототип можно было довольно быстро сделать. С квантовыми компьютерами ситуация другая. Нет такой задачи, которую квантовый компьютер сейчас бы решал хорошо, но чуть-чуть хуже, чем классический компьютер. Ученым предстоит еще хорошенько поработать, прежде чем квантовые вычисления начнут конкурировать с обычными. Пройдет еще 10–15 лет, и такие устройства станут более универсальными и найдут свою нишу», — объясняет Иван Храпач.

 

Научные центры

Квантовые центры устроены немного не так, как графеновые. По крайней мере, пока. Сейчас есть научные лаборатории, которые развиваются в своих университетах или в квантовых центрах. Эти центры — скорее собрание нескольких лабораторий. Лаборатории ведут научную деятельность, из которой может потенциально произойти какой-то стартап. За рубежом такие группы уже доросли до того, что их просто покупают крупные IT-корпорации. Выкуп состоит просто в том, что людей обеспечивают оборудованием и зарплатой. Конкретной компании, которая выдает продукт, пока нет. 

По мнению Ивана Храпача, впереди планеты по уровню развития квантовых технологий США, но прямо на пятки наступают Нидерланды, Швейцария, Швеция, Австрия, Германия, Япония и Китай. Также довольно быстро развиваются Россия, Великобритания, Франция, Австралия и Финляндия.

 

Развитие в цифрах

В графен и аналоги вкладываются большие деньги. В китайской части рынка в 2018 году обращались $1,4 млрд, а к 2020 году ожидают $14 млрд. В мировом масштабе рынок графеновой полупроводниковой индустрии по прогнозу McKinsey составит к 2030 году около $70 млрд. Валентин Волков поясняет, что вкладывать надо много, и обычно равняются по самому сильному. В Китае и Европе графеновые центры растут, как грибы. Это заставляет остальных тоже финансировать в соизмеримых масштабах.

В квантовых технологиях похожие масштабы вложений. Первая квантовая революция привела к появлению сначала лазеров и транзисторов, а потом — компьютеров и прочих гаджетов и электроники. Сегодня объем рынка такой «квантовой» продукции составляет $3 трлн в год.

Но гораздо интереснее, какой денежный масштаб имеет вторая квантовая революция. Согласно источникам в Сети, проект конгресса США рассчитан на $20 млрд. Европейский Quantum Flagship имеет бюджет 3 млрд евро, Китай закладывает  $12 млрд на Национальную квантовую лабораторию. В квантовые компьютеры инвестируют Google, Microsoft, Intel и IBM, Airbus и Volkswagen. Частные инвестиции в эту область составляют примерно $1 млрд в год.

По словам Ивана Храпача, примерно 100 миллионов долларов стоит создание с нуля лаборатории и технологии, с помощью которых можно построить примерно 50- или 70-кубитный процессор. В СМИ эта цифра всплывает под названием «стоимости квантового компьютера». Сделать одиночный кубит в уже готовой лаборатории по отработанной технологии — то есть рассчитать его, сформировать цепь на чипе в чистой комнате и продемонстрировать квантовые операции на уже установленном оборудовании — будет стоить где-то от ста тысяч до миллиона рублей. 

В МФТИ занимаются квантовыми технологиями на сверхпроводящей платформе. Это один из физических методов реализации квантовых вычислений. Всего в России в квантовые технологии на сверхпроводящей платформе за последние 5 лет было проинвестировано около миллиарда рублей: на эти деньги создали несколько крупных лабораторий, которые уже дают результаты. Также у нас в стране развивают квантовые технологии на других физических принципах, в них инвестировали похожий порядок сумм.

Иван Храпач, заместитель заведующего лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ:

— В этом году мы в лаборатории смогли реализовать алгоритм Гровера на 2 кубитах, и это примерно соответствует уровню 2009 года мировой практики. В 2015 году, когда сделали первый кубит, отставали почти на 16 лет, сейчас уже разрыв сокращается. Наверное, мы движемся быстрее, чем  Великобритания. Но самые быстрые обороты у Китая, как и в области графена.

 

Польза гонок

Стимулятором вложений не всегда является плановое ожидание какой-то определенной прогнозируемой прибыли. «Само существование “графеновой гонки” не оставляет серьезным игрокам — большим технологическим корпорациям и странам с развитым научно-техническим сектором — никакого выбора. Возможно, революции и не произойдет. Но жизнь — штука рискованная. Все должны вкладываться, если не хотят потерять свои позиции. К тому же сам процесс вложения несет в себе массу положительных последствий. Это ведь прежде всего инвестиции в науку, в образование, вокруг этого возникает бизнес. А насколько он эффективен или неэффективен — вопрос второй. Важно, что этот процесс наукообразен. Создание всей этой среды косвенно оздоравливает и усиливает конкретные государства, коммерческие компании и в целом общество», — считает Валентин Волков.

Что же до квантовых технологий, то, по мнению Ивана Храпача, правительства и частные компании инвестируют в эту область, потому что боятся упустить в будущем большую прибыль или, того хуже, безнадежно отстать от мира, где, возможно, править бал будут именно квантовые технологии. 

«Если говорить о науке, то в процессе гонки развиваются и “технологии” в том смысле, как мы в нашем комьюнити это используем — как способ производства устройств на чипе в чистом помещении. Методики оттачиваются, совершенствуется измерительная техника. Развивается понимание квантовой механики, динамики простейших квантовых систем. Все это в конечном счете можно будет применить в электронике, — поясняет Иван. — Бурное развитие квантовой  оптики, на мой взгляд, было бы невозможно без гонки по созданию квантовых компьютеров. Потому что для квантовых компьютеров необходимо было создавать устройства, в которых между квантовыми системами и электромагнитными полями есть сильная связь. Казалось, это нереально сделать. Но когда получилось, то выяснилось, что эти системы могут демонстрировать ряд интересных режимов взаимодействия излучения с веществом. Может быть, какие-то метаматериалы могут произойти отсюда, которые ученые еще до сих пор не придумали».

А еще можно взглянуть с другой стороны и задаться вопросом, что будет, если мы не станем вкладываться в двумерные материалы и квантовый компьютер. Самый очевидный ответ: нам придется покупать технологии у других стран или компаний за куда большие деньги, чем вложили бы мы сами. Есть и более негативный сценарий, напоминающий, скорее, какое-нибудь кино. Например, использование тех же квантовых технологий в военных целях.

Мы не можем не развивать перспективные области науки, иначе останемся не у дел и вновь окажемся в ситуации зависимости от важных и экспортных технологий. Как, например, в истории с литий-ионными аккумуляторами. Вкладывая колоссальные интеллектуальные и финансовые ресурсы в двумерные материалы и квантовые технологии, передовые страны ожидают и получить немало. Как минимум — новые знания и умения. Как максимум — революцию в области электроники и вычислительной техники.