17 июля в парижской штаб-квартире ЮНЕСКО вручили Международную премию ЮНЕСКО — России имени Дмитрия Менделеева за достижения в области фундаментальных наук. Лауреатами стали китайский физик Пань Цзяньвэй и российско-американский исследователь полимеров Сергей Шейко. Каждый из них получил золотую медаль, диплом и денежную премию в размере 250 тысяч долларов.

На первый взгляд их работы принадлежат совершенно разным мирам. Пань Цзяньвэй занимается отдельными частицами света и передачей квантовой информации через космос. Сергей Шейко изучает гигантские молекулы, из которых можно создавать мягкие, эластичные и одновременно прочные материалы.

Но объединяет эти исследования одна идея: свойства сложной системы определяются не только веществом, из которого она состоит, но и тем, как именно устроены связи между её элементами.

Пань Цзяньвэй: квантовая связь вышла из лаборатории

Пань Цзяньвэй — один из ведущих специалистов в области квантовой оптики, квантовой связи и квантовых вычислений. ЮНЕСКО отмечает его вклад в создание крупномасштабных защищённых систем связи и в развитие масштабируемых квантовых вычислений. Под его руководством был разработан спутник «Мо-цзы», благодаря которому квантовую передачу ключей и квантовую телепортацию удалось проводить на расстояниях в тысячи километров.

Слово «телепортация» здесь способно ввести в заблуждение. Учёные не перемещают человека, предмет или даже саму частицу из одного места в другое. Передаётся квантовое состояние частицы — например, состояние фотона, частицы света.

Это состояние нельзя просто подробно измерить, записать и затем создать точную копию: измерение неизбежно изменяет квантовую систему. Поэтому используется пара запутанных частиц, свойства которых связаны особым образом. После измерения исходной частицы и одной частицы из пары состояние можно восстановить у второй, находящейся далеко от первой. При этом первоначальное состояние исчезает, поэтому копирования не происходит.

Такая передача не быстрее света и требует обычного канала связи для отправки результатов измерения. Но она позволяет переносить квантовую информацию — основу будущих сетей, соединяющих квантовые устройства и компьютеры. Команда Пань Цзяньвэя впервые передала состояние отдельного фотона с наземной станции на спутник, находившийся на расстоянии до 1400 километров.

Практическая сторона его работы связана прежде всего с квантовым распределением ключей. В обычной защищённой связи отправитель и получатель должны каким-то образом обменяться секретным ключом, с помощью которого шифруется информация. Надёжность защиты зависит от того, сможет ли посторонний незаметно получить этот ключ.

В квантовой системе ключ передаётся через состояния фотонов. Попытка перехватить и измерить их изменяет сигнал, поэтому участники связи могут обнаружить вмешательство и отказаться от скомпрометированного ключа. Это не означает, что любая система с надписью «квантовая» автоматически неуязвима: оборудование, программное обеспечение и промежуточные узлы по-прежнему могут иметь слабые места. Но сам способ распределения ключей позволяет выявлять прослушивание, которое в обычном канале могло бы остаться незамеченным.

Главная заслуга Пань Цзяньвэя состоит не только в доказательстве физических принципов. Его команда соединила спутниковые каналы с наземной волоконно-оптической сетью длиной более двух тысяч километров. Созданная система обслуживала свыше 150 пользователей, включая банки, энергетические сети и государственные структуры. Иными словами, квантовая связь перестала быть опытом, работающим на лабораторном столе, и стала инженерной инфраструктурой.

Пока она дорога, сложна и не заменяет обычный интернет. Однако работа Пань Цзяньвэя показала, что глобальная квантовая сеть физически возможна и что расстояние между городами и континентами можно преодолевать с помощью спутников, не пытаясь провести единое оптоволокно через всю планету.

Сергей Шейко: свойства материала начинаются с формы молекулы

Сергей Шейко, профессор Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле, получил премию за вклад в физику полимеров и материаловедение. Формулировка ЮНЕСКО звучит сложно: он создал общую концепцию, объясняющую, как молекулярная архитектура управляет макроскопическим поведением материалов. Проще говоря, Шейко изучил, как из расположения частей молекулы получить нужную мягкость, упругость, прочность и способность изменять форму.

Полимеры состоят из длинных цепочек повторяющихся звеньев. Обычные линейные цепи можно представить как длинные нити. Они перепутываются, цепляются друг за друга и образуют материал, свойства которого зависят от длины цепей, химического состава и количества связей между ними.

Шейко и его коллеги много работали с так называемыми щёточными, или bottlebrush-полимерами. У такой молекулы есть длинная основная цепь, а к ней очень плотно прикреплены боковые цепочки. Внешне её действительно можно представить как микроскопическую щётку для мытья бутылок.

Боковые ветви мешают основным цепям плотно перепутываться. В результате сухой полимер может оставаться чрезвычайно мягким и растяжимым, хотя в нём нет жидкости, которая обычно делает материал похожим на гель. Меняя длину боковых цепей, плотность их расположения и связи между молекулами, исследователи могут управлять механическими свойствами материала почти так же, как инженер управляет свойствами конструкции, меняя расположение балок и соединений.

В одной из работ команда Шейко показала, что такая архитектура позволяет уменьшить жёсткость сухих полимерных материалов примерно в тысячу раз и растягивать их до восьмикратной первоначальной длины. При этом полимер может реагировать на электрическое поле, менять форму и использоваться в мягкой робототехнике, носимой электронике, тактильных интерфейсах и искусственных мышцах.

Смысл достижения не в создании одного чудесного пластика. Шейко предложил способ проектировать материал снизу вверх: сначала определить нужные свойства, а затем подобрать архитектуру макромолекул, которая эти свойства обеспечит.

Это особенно важно потому, что требования к современным материалам часто противоречат друг другу. Мягкий материал обычно легко деформируется, но плохо держит нагрузку. Жёсткий — сохраняет форму, но ломается или мешает движению. Эластичный материал должен растягиваться и возвращаться обратно, а самовосстанавливающийся — ещё и заново соединять повреждённые участки.

Работы Шейко показывают, что мягкость и прочность не обязательно исключают друг друга. Их можно распределить между разными уровнями структуры: одна часть молекулы отвечает за растяжимость, другая — за сохранение формы, третья — за временные связи, способные разрываться и восстанавливаться.

Именно поэтому исследования его группы используются при создании материалов с памятью формы и динамических полимерных сетей, способных восстанавливаться после повреждения. Но называть всю его работу просто изобретением «самозаживающего пластика» было бы неточно. Самовосстановление — одно из следствий гораздо более общего открытия: управляя архитектурой молекул, можно объединять в одном материале свойства, которые прежде считались несовместимыми.

Почему премия фундаментальная, если результаты уже применяются

Премия имени Менделеева присуждается именно за фундаментальную науку — физику, химию, математику и биологию. Это не награда за лучший готовый продукт или самое прибыльное изобретение. Ею отмечают исследования, которые меняют базовое понимание природы и позволяют затем создавать целые классы технологий.

Пань Цзяньвэй не просто построил более защищённый канал связи. Его работы показали, что хрупкие квантовые состояния можно передавать через реальные атмосферные и космические каналы на расстояния, необходимые для глобальной сети.

Сергей Шейко не просто сделал более мягкую резину. Он показал, как геометрия и иерархия макромолекул определяют свойства вещества и как эти свойства можно закладывать ещё на стадии молекулярного проектирования.

В этом и состоит отличие фундаментального результата от отдельного технического улучшения. Хорошее изобретение решает одну задачу. Хорошая фундаментальная теория позволяет поставить и решить множество задач, которых в момент её появления ещё никто не сформулировал.

Мнение редакции

Вручение одной премии китайскому физику и учёному, связанному одновременно с российской и американской научными школами, выглядит сегодня почти демонстративно. Политические и технологические системы всё настойчивее разделяют мир на конкурирующие контуры, но фундаментальная наука продолжает существовать как общий язык.

Квантовая запутанность не становится китайской или американской в зависимости от лаборатории, где её исследуют. Молекула не меняет своих свойств из-за гражданства химика. Научные результаты можно засекречивать, ограничивать экспорт оборудования и превращать в инструмент технологического соперничества, но проверить их можно только в общей системе доказательств.

Премия имени Менделеева важна именно поэтому. Она напоминает, что настоящее научное достижение измеряется не эффектностью названия и не количеством обещанных применений, а тем, насколько глубоко оно меняет наше понимание мира.

Один из нынешних лауреатов научился надёжнее передавать состояние отдельной частицы света через пространство. Другой — управлять поведением материала через устройство отдельной молекулы. Между спутником на орбите и полимерной цепью огромная разница в масштабе, но логика одна: понять устройство связи — и благодаря этому получить новые свойства всей системы.