Ко Дню преподавателя высшей школы и по случаю юбилея мы пообщались с автором значимых научных разработок — деканом факультета информационных технологий и электроники ПГУ, профессором, заслуженным деятелем науки Российской Федерации, почётным работником высшего профессионального образования РФ Владимиром Дмитриевичем Кревчиком. В интервью он объяснил простыми словами, что такое квантовая инженерия, где она уже используется и почему будущим инженерам нужно начинать думать «квантово» уже сегодня
— Владимир Дмитриевич, наше с вами общение приурочено к важной дате — Дню преподавателя высшей школы. Мы живём в эпоху прорывных
технологий. Всё чаще на слуху такие необычные термины, как «искусственный интеллект», «квантовые технологии». У вас на кафедре «Физика» создана молодёжная лаборатория «Оптика туннельно связанных наноструктур». Как связаны научные исследования, проводимые в лаборатории, с современными тенденциями развития физики и технологий?
— Научные исследования, проводимые в молодёжной лаборатории, в большей степени связаны с квантовой инженерией в полупроводниковой наноэлектронике. Квантовая инженерия — это новое направление в инженерии, связанное с разработкой технологий, основанных на законах квантовой физики. Полупроводниковая наноэлектроника занимается исследованием электронных процессов в полупроводниках в наномасштабах, где существенную роль играет квантовый размерный эффект. Я понимаю, много сложных терминов. Меня могут обвинить, что это не для широкого круга читателей. Однако следует вспомнить, что подобное мнение бытовало и в эпоху, когда появились первый паровоз и первый автомобиль, затем самолёт и космическая ракета, и всему этому предшествовали разработанные людьми технологии.
— Где применяется квантовая инженерия?
— Основные области применения квантовой инженерии — это разработка и создание квантовых приборов нового поколения, таких как квантовые сенсоры, лазеры на квантовых точках, источники излучения на сверхрешётках; разработка и создание квантовых компьютеров; квантовая криптография — метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики, — и многое другое.
— Как вы считаете, может ли быть интегрирована квантовая инженерия в инженерное образование ПГУ?
— В настоящее время в ряде зарубежных и российских вузов на некоторых
инженерных направлениях подготовки практикуется так называемый квантовый
конструктор. Основная цель таких занятий — это адаптация будущих инженеров
к вектору развития квантовой инженерии. Квантовый конструктор требует от студентов отличных знаний свойств материала полупроводниковых наноструктур, физики квантового размерного эффекта и, наконец, отличных знаний квантовой физики. Что касается наших студентов, то это необходимо учитывать при разработке программы факультативных занятий и научных кружков.
— Владимир Дмитриевич, расскажите о ваших наиболее важных разработках в области квантовой инженерии.
— К числу наиболее значимых разработок можно отнести полученные нами патенты к следующим изобретениям: «Квантовый сенсор на основе квантовой точки с примесным комплексом во внешнем электрическом поле», «Детектор субмиллиметровых волн на основе квазинульмерной структуры с примесным комплексом во внешнем магнитном поле». Эти идеи могут быть использованы при разработке квантовых приборов нового поколения с управляемыми характеристиками.
— Вы с коллегами разработали инновационный метод раннего обнаружения раковых опухолей с применением квантовых технологий. Расскажите об этом поподробнее.
— В основе разработки лежит использование квантовых точек со сложной внутренней структурой. Квантовые точки — это полупроводниковые нанокристаллы с уникальными оптическими и электронными свойствами. В последнее время они находят широкое применение в биомедицине в качестве флуорофоров — как мощный инструмент для визуализации процессов в живом организме. Их преимущество — яркость и высокая фотостабильность. Флуоресцентные красители вводят в организм внутривенно. После этого организм облучают ультрафиолетовым излучением и возникает свечение флуорофоров. Это даёт картину внутреннего строения органов и тканей, позволяет достаточно точно определять геометрический размер опухоли.
Как правило, злокачественные клетки и микроокружение опухоли перенасыщены аминокислотами. Мы предложили модель квантового сенсора для регистрации аминокислот. Его базовый элемент — полупроводниковая квантовая точка. При попадании в человеческий организм квантовые точки, созданные для обнаружения опухоли, взаимодействуют с аминокислотами, так как последние — электрически заряженные, они модифицируют энергетический спектр квантовых точек, что сказывается на рекомбинационном излучении. По разности длин волн мы можем говорить о том, что имеется объект с заряженными аминокислотами — значит, перед нами опухоль.
— Вы неоднократно подчёркивали, что молодые исследователи стремятся к проектам, в которых видят интересные перспективы и возможность реализовать свой потенциал. Насколько, на ваш взгляд, сегодня сохраняется у студентов интерес к научной работе?
— Этот принцип не только верен, но и продолжает подтверждаться на практике. В 2020 году наш коллектив выиграл грант Минобрнауки России на создание молодёжной лаборатории в рамках государственного задания. Одним из условий было участие молодых специалистов, которые должны были составлять не менее половины коллектива. Лаборатория успешно работает, и в её деятельности активно задействованы студенты, магистранты и аспиранты.
Мы систематически размещаем на нашем сайте отчёты о разных форматах работы: это и мастер-классы, и семинары, и индивидуальные проекты, и онлайн-экскурсии в современные лаборатории Института проблем лазерных и информационных технологий РАН (г. Шатура). Стоит отметить, что Институт выступает нашим индустриальным партнёром.
Молодёжь проявляет искреннюю увлечённость: с интересом работает на лазерном оборудовании, проводит эксперименты, активно обсуждает полученные результаты. Поэтому спустя годы я вновь подтверждаю: там, где есть содержательные идеи и возможность их реализации, там концентрируется молодёжь.
Многое, чем мы занимаемся, лежит в области квантовых технологий — это, наряду с искусственным интеллектом, будущее науки и инженерии. Уже сегодня ясно, что инженерам необходимы глубокие знания квантовой физики, ведь именно они открывают путь к работе с квантовой криптографией, квантовыми вычислениями и другими передовыми направлениями. Однако здесь есть серьёзная проблема: в вузах этому направлению уделяется ещё мало внимания, а в школах физика, увы, оказалась на периферии и не является обязательным предметом для сдачи Единого государственного экзамена. Всё это снижает базовый уровень подготовки абитуриентов, затрудняет их восприятие сложных инженерных дисциплин и освоениестремительно развивающихся современных технологий.
Беседовала Алёна КУЛИКОВА