Самообучающиеся чипы, квантовые симуляторы и вирусы-убийцы. Топ разработок российских учёных

Учёные МФТИ создали мемристор, который хранит данные почти 12 суток. Раньше такие устройства забывали информацию за секунды, что ограничивало их применение. Новая конструкция работает в двух режимах — быстрого обучения и длительного архивирования. Это позволило увеличить ресурс перезаписи в 20 раз. В будущем разработка станет основой нейроморфных процессоров для ИИ, потребляющих в тысячи раз меньше энергии, чем современные GPU. Мы продолжаем рассказывать о последних достижениях отечественной науки. На этот раз речь пойдёт о квантовом симуляторе для изучения топологических изоляторов, прозрачной нанокерамике для имплантируемых оптических «окон», чипе для анализа крови в реальном времени и графеновых мембранах для очистки воды. Подробнее о каждом проекте — в нашем материале.

Квантовый симулятор на сверхпроводниках для изучения материалов будущего

Команда учёных из Московского физико-технического института и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН представила уникальный квантовый симулятор на основе поляризационных трансмонов — искусственных атомов на базе сверхпроводников. Разработка поможет моделировать поведение топологических изоляторов, которые в объёме являются диэлектриками, а на поверхности обладают устойчивыми проводящими состояниями. Такие материалы могут найти применение в квантовых вычислениях, устройствах памяти и фотонике.

Каждый поляризационный трансмон состоит из четырёх сверхпроводниковых островков, связанных джозефсоновскими переходами — тонкими изолирующими перегородками, сквозь которые электрический ток проходит благодаря квантовому эффекту. Эти переходы являются одной из ключевых составляющих сверхпроводниковых кубитов. Особенность новой архитектуры в том, что каждый трансмон поддерживает два независимых способа колебания зарядов, направленных перпендикулярно друг другу. Это позволяет создавать управляемые квантовые системы, описываемые той же математической моделью, что и исследуемые природные материалы.

«Квантовый симулятор представляет собой управляемую квантовую систему, которая описывается той же математической моделью, что и исследуемая естественная квантовая система, например квантовый материал. Этот подход аналогичен использованию аэродинамической трубы: вместо численного моделирования каждого микроскопического процесса мы создаём управляемую физическую систему, воспроизводящую соответствующие физические явления», — пояснила научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Екатерина Коноплева.

Топологические изоляторы относятся к классу квантовых материалов, чьи макроскопические свойства не могут быть объяснены классической физикой. Их поведение возникает из сложного коллективного квантового взаимодействия. Практическое применение таких материалов может произвести революцию в спинтронике, где устройства памяти будут использовать не заряд, а спин электрона, а также в фотонике для создания волноводов и других компонентов. Разработка российских физиков открывает путь к более глубокому пониманию этих экзотических состояний материи и ускоряет переход от лабораторных экспериментов к реальным технологиям.

Нейроморфный мемристор с рекордным временем хранения данных

Учёные МФТИ разработали новую конструкцию мемристора — электронного компонента с памятью, который рассматривается как базовый элемент будущих нейроморфных процессоров. В отличие от традиционных компьютеров, построенных на архитектуре фон Неймана, где память и процессор разделены, нейроморфные системы стремятся воспроизвести принцип работы мозга, в котором вычисления и хранение данных происходят в одних и тех же элементах — синапсах. Мемристор меняет своё сопротивление под действием приложенного напряжения и сохраняет это состояние после отключения питания, имитируя синаптическую пластичность.

Главная проблема, которую удалось решить физтехам, связана с фундаментальным противоречием. Для быстрого обучения устройство должно легко менять проводимость, однако это же свойство приводит к быстрой потере информации. Предыдущие образцы мемристоров, созданные в лаборатории с 2019 года, имитировали поведение биологических синапсов, но забывали данные практически мгновенно.

«Глубже изучив саму физику процессов, мы смогли преодолеть эту проблему. Теперь наше устройство можно использовать для нейроморфных вычислений на пересечении двух основных областей: хранения информации и нейроморфных вычислений», — рассказала заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ Анастасия Чуприк.

В новой конструкции исследователи заменили металлические электроды на полупроводниковые и подобрали оптимальную толщину плёнки на основе оксида гафния и циркония. Это позволило перевести устройство в два режима — «ученика» для быстрого обучения и «архиватора» для длительного хранения информации. Продолжительность хранения данных удалось увеличить с нескольких секунд почти до 12 суток, а ресурс по количеству циклов перезаписи вырос примерно в 20 раз. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters. Разработка может стать основой более эффективных нейроморфных процессоров для искусственного интеллекта, в которых энергопотребление будет в тысячи раз ниже, чем у современных GPU.

Прозрачная нанокерамика для имплантируемых оптических «окон»

Учёные ННГУ имени Н. И. Лобачевского разработали условия получения прозрачной керамики на основе фторапатита кальция — перспективного материала для биомедицины и лазерных технологий. Материал получен методом горячего прессования на оборудовании собственного изготовления. Технологичность и экономичность метода открывают широкие возможности для масштабирования и внедрения в производство. Результаты опубликованы в журнале Ceramics International в 2026 году.

Высокая прозрачность керамики в видимом и инфракрасном диапазонах позволяет использовать её для создания имплантируемых биоактивных «окон». Через такие импланты можно осуществлять долговременное наблюдение за процессами восстановления тканей без хирургического вмешательства. Фторапатит является аналогом костной ткани, поэтому он хорошо совместим с клетками организма. Тесты на фибробластах кожи человека показали, что клетки активно прикрепляются к поверхности керамики и сохраняют высокую жизнеспособность.

«Фторапатит — аналог костной ткани, поэтому он отлично "дружит" с клетками организма. Наши партнёры из Приволжского исследовательского медицинского университета провели клеточные эксперименты, которые подтвердили биосовместимость нашей прозрачной керамики. Это доказывает, что материал перспективен для интеграции с мягкими тканями», — рассказал автор исследования Марсель Назмутдинов.

Разработка имплантируемых оптических окон активно ведётся зарубежными исследователями, чаще всего на основе диоксида циркония. Материал нижегородских учёных превосходит известные аналоги, так как обеспечивает лучшую интеграцию с живыми тканями. Второе направление работы — создание прозрачной керамики для оптики и фотоники. Удержав средний размер зерна на уровне менее 150 нанометров, исследователи достигли рекордного уровня пропускания. Керамика, легированная ионами редкоземельных металлов, таких как иттербий, может стать альтернативой дорогостоящим монокристаллам при создании компактных и мощных импульсных лазеров. Изучение прозрачных апатитов стартовало при поддержке программы «Приоритет 2030» в 2023 году.

Чип для анализа крови в реальном времени

Исследователи из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН разрабатывают технологию «лаборатория на чипе», которая позволит проводить анализ биохимического состава крови в режиме реального времени. Об этом сообщил вице-президент РАН, председатель ДВО РАН академик Юрий Кульчин.

«Создаётся система, которая позволяет анализировать биохимический состав крови в реальном времени, при этом она не требует больших количеств крови. Нельзя сиюминутно сказать, что быстро сделают таких роботов, которых можно запустить в человека для диагностики. Но к этому мы постепенно движемся», — отметил академик.

В основе разработки лежит метод индуцированной фотолюминесценции. При направлении света на образец каждая молекула «откликается» в определённом диапазоне спектра, формируя своеобразный «паспорт». Показатели этого паспорта меняются в зависимости от биохимического состава крови и наличия или отсутствия заболевания. Обычно сигналы очень слабые, поэтому для их усиления используется плазменная система. На чипе создаётся набор микроскопических иголочек, каждая из которых работает как усилитель сигнала. Благодаря этому достаточно совсем небольших капель крови.

Конечная цель проекта — создать устройство, которое можно будет использовать в смартфоне. Это сделает биохимический анализ крови доступным в любых условиях, без необходимости обращаться в лабораторию. Технология позволит получать результаты в течение нескольких минут. В перспективе развитие квантовой биологии может привести к созданию малых роботов, чувствительных к патогенам и способных анализировать показатели внутри организма человека. Разработка находится на стадии активных исследований, однако первые шаги уже демонстрируют принципиальную осуществимость подхода.

Графеновые мембраны для очистки воды

Международная группа исследователей, включая учёных из России, представила мембрану на основе графена, армированного одиночными атомами марганца, для одностадийной очистки воды в автономных условиях. Работа опубликована в журнале Chem. Мембрана обеспечивает одновременное удаление бактерий и тяжёлых металлов без использования электричества — достаточно ручного вакуумного насоса. Это делает технологию пригодной для отдалённых регионов, зон стихийных бедствий и территорий с недостаточно развитой инфраструктурой.

В таких условиях загрязнение воды редко бывает вызвано одним фактором. Микробные патогены и токсичные металлы часто встречаются вместе в реках, каналах и неглубоких колодцах, подверженных влиянию сточных вод. Традиционные методы очистки требуют многоступенчатых операций, таких как дезинфекция в сочетании с адсорбцией или ионным обменом, что увеличивает стоимость и сложность для децентрализованного применения.

Новая мембрана решает задачу «мультиконтаминантной, однопроходной» очистки, когда несколько загрязнителей удаляются за один цикл фильтрации в реалистичных условиях. Эффективность удаления бактерий превышает 99,999 процента. Мембрана демонстрирует высокую адсорбционную способность по отношению к тяжёлым металлам — 661 миллиграмм на грамм для свинца и 248 миллиграммов на грамм для кадмия. После 20 циклов регенерации эффективность материала сохраняется на уровне более 90 процентов. Это снижает потребность в расходных материалах и уменьшает количество отходов при эксплуатации в полевых условиях.

Графеновые мембраны действуют как ультратонкие фильтрационные барьеры, которые пропускают воду и блокируют загрязнители. Они содержат наноразмерные каналы, способные избирательно удалять вредные вещества, включая микропластик и стойкие химические загрязнители. В некоторых экспериментальных системах такие мембраны достигали эффективности удаления свыше 99 процентов при сохранении высоких скоростей потока воды. Переход от лабораторных образцов к промышленному производству требует масштабируемых технологий, таких как рулонная обработка. Обзорные работы на эту тему формируют дорожную карту от исследований к индустрии и подтверждают потенциал графеновых мембран для решения проблем водной безопасности.

Текст: Екатерина Львова

Изображения сгенерированы с использованием GigaChat