Ольга Лисина
Ученые из российских вузов Проекта 5–100 рассказали о том, каких прорывов и открытий в сфере своих научных интересов они ждут в ближайшее десятилетие. Мы отобрали прогнозы о развитии технологий, к которым стоит присмотреться бизнесу.
Супергибкие гаджеты, квантовые компьютеры и 3D-печать целых кварталов: ученые — о ближайшем будущем технологий
Ольга Лисина
Антон Козубов, научный сотрудник Лаборатории квантовых процессов и измерений Международного института «Фотоника и оптоинформатика» Университета ИТМО
Мы живем во времена второй квантовой революции, что может сулить нам невероятный скачок в технологиях уже в самом ближайшем будущем.
На мой взгляд, наиболее ожидаемой технологией будет квантовая криптография.
Сейчас для защиты информации используются математические методы. Чаще всего они строятся на том, что у злоумышленника просто не хватит ресурсов, чтобы расшифровать данные пользователей, пока они актуальны. Однако всегда можно сделать копию этих данных и надеяться, что их удастся расшифровать в будущем.
Основная проблема в криптографии — распределение ключей шифрования. В идеале эти ключи должны быть только у легитимных пользователей, но классические методы их распределения не могут дать такой уверенности.
Подписывайтесь на канал Rusbase в «Яндекс.Дзен», чтобы ничего не пропустить
Как только мы начинаем использовать для передачи ключа одиночные фотоны (кванты), вступают в силу квантовые эффекты. У фотонов есть три важные особенности: их нельзя измерить не разрушив, невозможно разделить и нельзя скопировать неизвестное квантовое состояние.
Таким образом, у злоумышленника уже нет таких возможностей, как в случае с классическим шифрованием.
На сегодня квантовое шифрование — это бурно развивающаяся часть индустрии защиты информации. Некоторые государства — например, Китай — выделяют огромные деньги на строительство реальных магистральных квантовых сетей. Не удивлюсь, если протяженность китайских квантовых сетей в ближайшем будущем сравнится с протяженностью Великой Китайской стены!
Еще один пример: в швейцарскую компанию ID Quantique корейский телеком-оператор SK Telecom вложил порядка 68 миллионов долларов. Так что сомнений, что через 10 лет квантовая криптография прочно войдет в нашу жизнь, у меня практически нет.
Александр Самардак, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ
В ближайшем будущем повседневная жизнь людей будет в большой степени зависеть от высокочувствительных сенсорных систем. Уже сегодня сети магнитных сенсоров используются для реализации проектов умных домов, умной медицины, умного транспорта. Чувствительность датчиков постоянно растет, путь от научных изысканий до их воплощения в реальные технологии занимает все меньше времени.
Мы считаем, что такие датчики можно применять во многих областях. Например, в биомедицине благодаря сверхчувствительным сенсорам будет возможно точно определить потенциальные генетические заболевания и подобрать лечение. Такие системы могут появиться примерно к 2030 году.
Использовать магниторезистивные технологии актуально в гибких портативных электронных гаджетах — смартфонах и других. Устройства на таких сенсорах способны выдерживать большое количество циклов сгибания/разгибания и растяжения без потери свойств чувствительности. Супергибкие устройства могут ожидать пользователей ближе к 2030 году.
Примерно к этому времени должны появиться высокочувствительные износостойкие сенсоры, способные регистрировать быстротекущие процессы и при этом не затратные в производстве. Вместо кремниевой подложки их можно будет печатать даже на бумаге и текстиле.
Сергей Шипилов, профессор радиофизического факультета ТГУ
Тенденция миниатюризации и удешевления систем технического зрения позволит в ближайшие годы внедрять их в нашу повседневную жизнь.
Даже бюджетные автомобили будут комплектоваться мобильными СВЧ-радарами, которые будут решать задачи обеспечения безопасности водителя и пассажиров во время движения, предотвращать столкновения в условиях плохой видимости.
К концу десятилетия будет разработана и внедрена технология передачи видео- и радиоизображения напрямую в мозг человека. Это позволит миллионам слепых людей получить возможность видеть.
Михаил Лебедев, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ
Следует ожидать бурного развития технологий для изучения мозга и взаимодействия с ним. Это в первую очередь технологии записи нейрональной активности миллионов клеток. Для этого будут разработаны миниатюрные электроды, биосовместимые с нервной тканью и способные регистрировать сигналы отдельных нейронов.
Будут разработаны и технологии для многоканальной стимуляции нервной ткани, способные посылать большие объемы информации в мозг, а также технологии для взаимодействия с мозгом на уровне нейромедиаторов.
И, конечно же, все эти прорывы приведут к множеству практических приложений: от управляемых мозгом нейропротезов, которые восстанавливают двигательную активность и ощущения у больных с неврологическими поражениями, до разработок, позволяющих расширять функции (память, внимание, мышление, скорость реакции) у здоровых людей.
Алексей Князев, директор Инжинирингового химико-технологического центра ТГУ
Работа с информацией выйдет на качественно новый уровень, когда наши гаджеты станут настраиваемыми и смогут сами выбирать ее в соответствии с нашими интересами. Сейчас информационные потоки очень насыщены, но движутся они довольно стихийно, и мы получаем много лишнего.
Думаю, новые технологии позволят это исправить и сделать так, что наши средства связи будут сами фильтровать информацию — к примеру, подбирать нам ресурсы для обучения, исходя из наших интересов, возможностей, загруженности и т.д.
Определенно будут появляться новые сверхлегкие, очень прочные и надежные материалы. Например, легкие пластики, которые позволят значительно снизить вес автомобиля.
Идет работа над созданием более надежных и долговечных шин нового поколения. Они могут появиться в ближайшем будущем, поскольку уже разработаны необходимые для этого полиэфирные смолы.
Руслан Барышев, проректор по науке СФУ
Уверен, что можно и нужно ожидать изменений в области медицины — в частности, повышения точности и скорости диагностики. Должны появиться технологии на основе искусственного интеллекта, которые исключат человеческий фактор.
Еще одна медицинская тема связана с биотехнологиями и 3D-печатью. Сейчас наши исследователи активно работают над печатью биосовместимых костных имплантатов и получением искусственной кожи. В мире это отнюдь не новость, но задача — добиться идеальной приживаемости.
Тематика, связанная с 3D-печатью, повсеместно распространяется как в машиностроении, так и текстильной промышленности и строительстве. Можно ожидать, что будут массово печататься целые кварталы, потому что это быстро и просто.
Сейчас ученые СФУ работают над решением проблем, связанных с передачей сигналов — например, на глубоководные аппараты с воздуха или сквозь толщу земли в горной области в случаях катастроф.
Своего рода вызов для науки — это беспилотное пилотирование. Сегодня в этой области есть успехи, когда пилотирование осуществляется в условиях, приближенных к идеальным. Через 10 лет технологии должны работать в любых условиях.
В области возобновляемых ресурсов человечество мечтает о емких аккумуляторах, которые будут быстро заряжаться. На это направлены лучшие умы, которые решают несколько задач: отдача заряда, время зарядки, пороговые значения. Если говорить про технологии, то в первую очередь это электричество и атомная энергетика.
Должны появиться миниатюрные атомные источники питания — это было бы фантастическим достижением.
Есть много разработок в области пищевых технологий. В том числе мы с ФИЦ КНЦ СО РАН работаем над проектированием спектров светодиодов и изучением того, как изменение спектра влияет на рост разных растений. Один спектр хорош для огурцов, другой — для томатов.
Это позволит выращивать растения под землей или в зоне Крайнего Севера исключительно за счет искусственного освещения.
Юрий Шаркеев, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ
Научные коллективы в разных странах активно работают над выращиванием костной ткани, чтобы формировать некоторые элементы ткани прямо в организме человека. В частности, речь идет о выращивание зубной ткани, такая технология должна изменить стоматологическую имплантацию.
Сейчас уже есть определенные успехи в этом направлении. Лидеры в этой области, конечно, японские ученые. Им удалось вырастить зуб из зачатков зубной ткани для грызунов. Эта технология требует еще длительных исследований, нужно преодолеть много вызовов. Но мне видится, что примерно через 10 лет такие технологии будут доступны людям.
Зачем это нужно? Чтобы решить проблему приживаемости имплантатов. Все-таки современный стоматологический имплантат — это инородное тело, на которое наша иммунная система реагирует соответствующим образом. Каждый, кто сталкивался с потерей зуба и последующей установкой имплантата на его место, знает, что ни один врач не дает гарантии, что имплантат приживется.
Разрабатываемые технологии предполагают в будущем выращивание зуба из родного для организма материала.
Исследователи и врачи все больше будут уходить от металлов и полимеров и искать пути использования собственных возможностей человека.
Александр Зацепин, доцент физико-технологического института УрФУ
В ближайшие десятилетия возможна смена парадигмы электронной техники: замена кремния, основного материала элементной базы современной электроники, на углерод, обеспечивающий принципиально иные, совершенно уникальные возможности в самых разных сферах деятельности человека, включая приборостроение, энергетику, биологию и медицину.
С использованием новых углеродных наноматериалов будут созданы сверхминиатюрные функциональные устройства с высоким быстродействием и низким энергопотреблением. Это обеспечит появление носимых гибких устройств — компьютеров, часов, смартфонов — с повышенной производительностью и большим сроком службы.
На основе сверхтонких цепочек углерода, обладающих специальными физическими свойствами, могут быть созданы сверхлегкие, «вечные» источники энергии и батареи для обеспечения неограниченного срока службы различных устройств микросистемной техники — например, нанороботов.
Благодаря высокой совместимости углеродных материалов с биологическими объектами существуют реальные перспективы создания новых эффективных биосенсоров и онкомаркеров для самой ранней диагностики и терапии рака и других серьезных заболеваний.
Вячеслав Авдин, декан химического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ
В последние несколько лет в мире интенсивно развиваются направления, связанные с неорганическими и органо-неорганическими катализаторами. Чем они помогут людям?
Во-первых, это получение новых химических веществ — сверхэффективных лекарств, органических полупроводников, которые могут в корне поменять наши представления об электронике и др.
Во-вторых, безреагентные методы очистки различных сред от токсичных стойких органических загрязнений. Это значительное улучшение качества и воды, и воздуха, и, как следствие, продуктов питания и качества жизни.
И главное — появление катализаторов, позволяющих получать водородное топливо из воды. Благодаря этому человечество уйдет от углеводородной энергетики, выхлопных газов, смога, сажи и прочих последствий сжигания нефти, угля и газа.
Нельзя не упомянуть и о накопителях энергии. Высокая стоимость электроэнергии связана, прежде всего, с тем, что мы не можем ее эффективно накапливать и хранить. Мы можем сделать запас воды, топлива, продуктов, но электричество, которое в нашей розетке, произведено почти в ту же секунду, в которую мы его расходуем.
Если мы научимся создавать «электрические резервуары», емкость которых сопоставима, например, с суточным потреблением Челябинска, стоимость энергии значительно упадет. А это даст импульс к развитию многих энергоемких производств.
Антон Конаков, старший преподаватель кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского
В ближайшие 10 лет ожидается существенный прогресс в области разработки квантовых компьютеров. Сейчас по всему миру огромные деньги вкладываются в развитие квантовых технологий, большой технологический задел есть в США.
В частности, в конце 2019 года исследователи Google показали для компьютера, состоящего из 53 кубитов (квантовых аналогов бита), квантовое превосходство — решение вычислительной задачи за время, на много порядков меньшее, чем необходимо для ее решения на классическом суперкомпьютере.
В «квантовой гонке» (по аналогии с «гонкой вооружений» XX века) участвуют Австралия, Великобритания, Россия, Нидерланды, в нее включается Германия.
Исследовательский и технологический задел, дальнейшая работа высококвалифицированных исследователей по всему миру в совокупности с миллиардными вложениями могут сделать следующее десятилетие временем расцвета квантовых технологий, когда этот термин станет таким же «хайповым», как термин «нанотехнологии» в 2000-е годы.
Фото на обложке: Shutterstock / Dmitriy Rybin
Источник:
