ДНК-тест за 15 минут и квантовый прорыв. Топ разработок российских учёных

Установить отцовство или выявить опасный вирус теперь можно будет быстрее, чем сварить кофе. Учёные Пермского политехнического университета представили революционную компьютерную модель, которая позволяет создавать сверхбыстрые и точные ДНК-тесты для использования вне стен лабораторий — прямо в кабинете врача, на дому или в полевых условиях. Разработка решает главную проблему современной ПЦР-диагностики – время ожидания. Если стандартный лабораторный анализ занимает от нескольких часов до суток, то новая технология сокращает этот процесс до 15–20 минут.

Мы продолжаем рассказывать о последних достижениях российской науки, и на этот раз речь пойдёт о самом мощном в стране квантовом компьютере на 70 кубитах; уникальном покрытии для стенок термоядерных реакторов, которое само залечивает микротрещины; светящихся термометрах, которые позволяют бесконтактно измерять температуру отдельных клеток и микросхем и сверхпроводниковом генераторе для телескопов нового поколения, который задаёт эталонный сигнал, позволяя ловить слабые волны из космоса с высокой чёткостью, чтобы наблюдать за чёрными дырами и далёкими галактиками. 

70-кубитный квантовый компьютер на ионах иттербия

Российские физики из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) представили самый мощный квантовый компьютер в стране, работающий на базе 70 кубитов. Устройство построено на управляемой цепочке из 35 ионов иттербия, каждый из которых кодирует информацию, эквивалентную двум кубитам, что стало возможным благодаря использованию четырёхуровневых квантовых систем — кудитов. Такой подход позволил преодолеть традиционное ограничение ионных архитектур, где управление цепочкой более 35 кубитов считается критически сложным.

Принцип действия установки основан на коллективных колебаниях ионов: лазерное воздействие на одну частицу вызывает резонанс всей цепочки, обеспечивая взаимодействие между кубитами. Для индивидуального управления каждым ионом применяются два лазерных пучка, которые быстро перемещаются вдоль цепочки и точно наводятся на нужный элемент. Точность однокубитных операций составляет 99,92%, двухкубитных — 95,4%, а схема связей «тройная звезда» позволяет выполнять операции между любыми кубитами системы, а не только между соседними.

На полном 70-кубитном регистре уже успешно реализованы ключевые квантовые алгоритмы, включая алгоритм Гровера для поиска в базах данных, алгоритм Бернштейна — Вазирани и подготовку сложного GHZ-состояния. Разработка предназначена для практического тестирования и оптимизации алгоритмов — доступ к ней открыт для удалённых пользователей через облачную платформу института.

Модель для создания ускоренных систем ПЦР-диагностики

Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) создали компьютерную модель, которая позволяет проектировать устройства для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) с высокой точностью и скоростью анализа. Разработка ориентирована на создание портативных диагностических комплексов, способных устанавливать отцовство, выявлять генетические заболевания и идентифицировать возбудителей инфекций за 15–20 минут вне лабораторных условий.

В основе работы лежит метод конвективной ПЦР, при котором амплификация ДНК происходит в плоской микрокамере (чипе) за счёт разницы температур между нагретой нижней и охлаждённой верхней поверхностями. Это вызывает циркуляцию образца и быстрое накопление копий фрагментов ДНК. Однако до настоящего времени расчётные модели таких процессов не учитывали физические особенности макромолекул ДНК, рассматривая их как точечные частицы.

Учёные ПНИПУ впервые учли поведение молекул ДНК как протяжённых нитей, способных двигаться независимо от потока жидкости. Разработанная математическая модель точно описывает их перемещение в микрокамере, что позволяет устранить расхождения между теорией и реальными результатами реакции. Это открывает возможность для создания более эффективных и надёжных ПЦР-систем нового поколения.

Как пояснили в университете, существующие лабораторные анализы требуют от нескольких часов до нескольких дней. Портативные устройства на основе конвективной ПЦР могли бы использоваться непосредственно в кабинете врача, полевых госпиталях или при домашнем тестировании. При этом образец материала, например соскоб с внутренней стороны щеки, помещается в чип, где за 30–40 циклов нагрева и охлаждения происходит умножение исходного количества ДНК до миллиардов копий, после чего детектор фиксирует совпадение или несовпадение исследуемых фрагментов.

Разработка поддержана на уровне вуза и направлена на дальнейшее внедрение в практику медицинской и криминалистической диагностики. 

«Самозалечивающееся» покрытие для реакторов

Исследователи Национального исследовательского ядерного университета МИФИ совместно с коллегами из компании РАРМА и научного института Росатома в Троицке разработали инновационное покрытие для внутренних стенок термоядерных реакторов, способное самостоятельно залечивать микротрещины, возникающие от тепловых ударов.

Одной из ключевых проблем в создании термоядерных реакторов остаётся выбор материала для первой стенки, обращённой к плазме. Температура в зоне реакции достигает миллионов градусов, и даже незначительные повреждения поверхности приводят к испарению материала. Попадая в плазму, частицы охлаждают её, что нарушает процесс термоядерного синтеза. Хотя внутренние стенки таких проектов, как международный ИТЭР и китайский BEST, планируется изготавливать из наиболее тугоплавкого металла — вольфрама, он также подвержен разрушительному воздействию плазмы.

Российские учёные предложили решение, основанное на диффузионном насыщении вольфрамовой поверхности атомами бора. В результате формируется защитный слой из боридов вольфрама, относящихся к сверхвысокотемпературным материалам. Это покрытие не только предотвращает попадание в плазму вредных многозарядных примесей, но и обладает способностью к самовосстановлению: при возникновении микротрещин окислы бора плавятся, заполняя повреждения стекловидной фазой.

Сравнительные испытания образцов чистого вольфрама и вольфрама с диффузионным покрытием подтвердили значительное улучшение характеристик борированного материала. Кроме того, бор в составе покрытия эффективно поглощает кислород. По расчётам учёных, слой толщиной всего 0,1 миллиметра способен снижать уровень примесей в плазме на протяжении всего проектного срока эксплуатации реактора ИТЭР, что позволяет отказаться от использования дополнительной системы борирования в тлеющем разряде, изначально предусмотренной проектом.

Успех международного эксперимента ИТЭР, который призван доказать возможность коммерческого использования термоядерной энергии, во многом зависит от решения подобных инженерных задач. Новая разработка российских исследователей приближает создание практически неиссякаемого и экологически чистого источника энергии.

Светящиеся термометры для клеток

Сотрудники Физического института имени Лебедева РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» и Московского государственного университета имени Ломоносова разработали новые люминесцентные материалы на основе редкоземельных металлов европия и тербия, позволяющие бесконтактно измерять температуру объектов микроскопического размера — от живых клеток до элементов микросхем. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда, результаты опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.

Созданные соединения представляют собой комплексы, в которых ионы европия и тербия связаны с органическими группами, состоящими из нескольких углеродных колец. При одинаковом элементном составе два полученных вещества различаются пространственным расположением фрагментов молекулы. Под действием ультрафиолетового излучения материалы демонстрируют интенсивное свечение, цвет и яркость которого зависят от температуры. При охлаждении до минус 196 градусов Цельсия доминирует зелёное излучение тербия, по мере нагрева до комнатной температуры и выше (до плюс 126 градусов) энергия переходит к европию, и свечение становится красным.

В ходе экспериментов выяснилось, что изменение укладки молекулы, даже затрагивающее положение одного атома, способно увеличить температурную чувствительность материала на 40 процентов и сместить его рабочий диапазон. Это объясняется влиянием пространственной структуры на взаимодействие ионов металлов с органическими лигандами и, как следствие, на механизмы переноса энергии внутри комплекса.

Для объективной оценки эффективности полученных материалов исследователи предложили новый универсальный параметр — интегральную чувствительность (SRI), который учитывает не только максимальную чувствительность к изменению температуры, но и стабильность её сохранения во всём рабочем диапазоне. Расчёты показали, что для одного из синтезированных комплексов значение SRI достигло 970 процентов, что превосходит показатели существующих молекулярных термометров-аналогов.

Практическое применение разработки охватывает два ключевых направления. В медицине материалы могут использоваться для диагностики заболеваний на клеточном уровне — например, для обнаружения перегрева в опухолевых тканях или очагах воспаления. В микроэлектронике они позволяют выявлять локальный перегрев микросхем без физического контакта и нарушения работы устройства. Широкий диапазон рабочих температур — от криогенных значений до 126 градусов Цельсия — делает новые соединения пригодными для решения разнообразных задач, требующих прецизионного бесконтактного термометрирования.

Сверхточный генератор для будущих орбитальных телескопов

Учёные МФТИ и Института радиотехники и электроники РАН разработали генератор терагерцового излучения на сверхпроводниках, который ляжет в основу сверхчувствительных приемников для космических обсерваторий нового поколения. 

Устройство позволит изучать структуру Вселенной с беспрецедентной точностью и делать новые снимки черных дыр. Разработка предназначена для проектов, которые определят будущее астрономии на десятилетия вперед. В первую очередь речь идет о российской космической обсерватории «Миллиметрон», а также о наземных массивах телескопов вроде ALMA и Event Horizon Telescope (EHT) — именно EHT принадлежит историческое первое изображение тени сверхмассивной черной дыры.

Современные телескопы улавливают слабейшие сигналы из космоса, но чтобы превратить их в данные, приходящие волны необходимо смешать с более мощным эталонным сигналом. Эту функцию выполняет генератор-гетеродин. Он переносит информацию на более низкую частоту, доступную для обработки электроникой. От стабильности и качества работы этого крошечного устройства напрямую зависит, увидят ли астрономы далекую галактику или тень черной дыры.

Российская группа исследователей нашла способ кардинально улучшить этот ключевой компонент. Ученые экспериментировали с так называемыми переходами Джозефсона — цепочками из сверхпроводников, разделенных диэлектрическими прослойками. Такие структуры способны усиливать электромагнитные сигналы в определенных диапазонах.

Главное ноу-хау российских физиков заключается в синхронизации. Исследователи обнаружили, что если объединить в одну систему несколько сотен джозефсоновских переходов, их излучение можно синхронизировать и использовать для обработки космических сигналов.

Благодаря микроскопическим размерам, генератор удалось разместить на одном чипе вместе с остальными компонентами приемника. Это кардинально снизило потери сигнала, которые неизбежны при передаче данных между отдельными блоками.

Созданный генератор решает одну из главных проблем терагерцовой астрономии — потерю качества сигнала при преобразовании частоты. Для проекта «Миллиметрон», который должен прийти на смену знаменитому европейскому телескопу «Гершель», это означает возможность заглянуть в самые холодные и далекие уголки космоса, где скрываются тайны рождения звезд и формирования галактик.

Для наземных телескопов, работающих в массивах, новая разработка обещает повышение четкости и чувствительности при наблюдении за горизонтом событий черных дыр. 

Лекарство, уничтожающее грипп и ОРВИ за двое суток

Российские учёные разработали противовирусный препарат на основе молнупиравира, способный разрушать генетическую структуру возбудителей гриппа и острых респираторных вирусных инфекций. Клинические исследования подтвердили, что уже на второй день приёма у большинства пациентов исчезают симптомы заболевания, а на третий день более 60% перестают выделять вирус и становятся неопасными для окружающих. 

Механизм действия препарата основан на блокировании фермента РНК-полимеразы, необходимого для размножения более 90% всех РНК-содержащих вирусов, включая грипп и коронавирус. Молнупиравир встраивается в генетическую цепочку возбудителя в процессе её копирования, вызывая накопление множества мутаций, что полностью разрушает способность вируса создавать новые копии и поражать здоровые клетки. Клинические испытания III фазы проводились в 16 медицинских учреждениях России с участием 300 пациентов. Результаты продемонстрировали статистически значимое сокращение времени до клинического выздоровления по сравнению с плацебо. На третий день лечения частота элиминации вируса в группе препарата достигла 64,7%, тогда как в группе плацебо этот показатель составил 40%. Зафиксировано также существенное снижение риска развития осложнений — бронхита, синусита и пневмонии. 

Появление в распоряжении врачей препарата, способного за двое суток уничтожать вирус и прерывать цепочки заражения, может существенно изменить подход к лечению сезонных инфекций и снизить нагрузку на медицинскую систему в периоды эпидемического подъёма.

Текст: Ирина Леонова

Иллюстрации сгенерированы freepik.com