Лазеры для будущего: почему эти ровесники ИИ станут ключевой технологией

От мазера до лазера

Термин «искусственный интеллект», которым нынче полон новостной фон, родился в 1956 году на вполне академическом семинаре и еще много лет вне узких научных кругов был неизвестен даже как концепция. Интересно и, может быть, не совсем случайно, что примерно в это же время в совсем другой научной дисциплине, квантовой физике, был экспериментально обнаружен эффект усиления электромагнитных волн за счет стимулированного излучения: для СВЧ-волн в 1953 году (соответствующий прибор получил название мазер — microwave amplification by stimulated emission of radiation), для световых — в 1960-м (это был первый лазер, light amplification by stimulated emission of radiation).

Уже в 1964 году двое советских ученых, Николай Басов и Александр Прохоров вместе с американским физиком Чарлзом Таунсом получили Нобелевскую премию по физике за эти открытия. В профессиональном сообществе громкая слава и признание пришли к создателям лазера куда быстрее, чем к первым разработчикам ИИ, но еще долго для широкой публики что лазеры, что ИИ не представляли интереса. Разве что любители отечественной фантастики вспоминали про лазеры, обсуждая «Гиперболоид инженера Гарина».

В 2024 году интересно наблюдать, как оба почти синхронно случившихся открытия примерно семидесятилетней давности привели к созданию продуктов и технологий, активно влияющих на будущее человечества — и подчас сочетающих обе научные идеи. Среди уже очень многочисленных применений лазеров по своей важности для будущего выделяются два: лазерный термояд и фотоника.

Нащупывать импульс

Сама по себе термоядерная энергетика увлекла ученых почти сто лет назад, когда появилось понимание процессов, генерирующих энергию в звездах (в Солнце в том числе). Оказалось, что основой энергией звезд является реакция ядерного синтеза: слияния ядер некоторых изотопов легких элементов, при которых выделяется колоссальная энергия. Энергоэффективность процесса завораживала: энергия от реакции одного грамма термоядерного топлива в миллионы раз превосходит энергию от сжигания одного грамма ископаемого топлива. Вот только нагреть вещество до внутрисолнечных температур в земных условиях оказалось фантастически сложной задачей.

Идея именно лазерного термоядерного синтеза родилась почти сразу после появления первых лазеров; в нашей стране ее впервые предложили академики Басов и Сахаров. Внешне она выглядела простой и привлекательной. Для достижения условий, при которых начинается термоядерная реакция, можно смесь нужных изотопов нагреть и сжать до таких плотностей и температур, которые достигаются в центре Солнца, с помощью очень мощного и короткого лазерного импульса. Внешние слои сферической мишени под лазерным облучением превращаются в очень горячую разлетающуюся плазму, при этом сердцевина мишени сжимается и нагревается до нужных температур, и в ней «зажигается» термоядерная реакция.

С конца 1960-х в СССР и США занялись строительством мощных лазерных установок для исследования «лазерного термояда». Когда в 1970-е я пришел работать в Филиал Института атомной энергии им. Курчатова (ныне он известен как ТРИНИТИ), ученые были едины во мнении: «Еще лет 30 — и это будет промышленная технология, используемая в мировой энергетике». Но шли десятилетия, а результат так и маячил на том же 30-летнем горизонте: лазерная плазма оказалась очень непростым объектом, а мощные многоканальные лазерные установки — сложнейшими, капризными и дорогими устройствами. Произвести в эксперименте больше энергии, чем вкладывалось лазером в нагрев мишени, упорно не удавалось.

Но физики оказались упрямее. В конце прошлого и начале текущего года начали поступать важные и радостные новости, увы, мгновенно терявшиеся в потоке новостей и споров на темы ИИ: с декабря 2022 года ученым из US National Ignition Facility удалось неоднократно воспроизвести удачное сжатие дейтерий-тритиевой мишени с помощью 192-лучевой лазерной установки. Полная энергия лазерного импульса составляла около 2 МДж, при этом было зафиксировано выделение более 3 МДж энергии, т. е. ядерный синтез высвободил раза в полтора больше энергии, чем было затрачено на нагрев и сжатие мишени. Хотя от такой демонстрации до вожделенных промышленных реакторов путь все еще неблизкий, впервые за многие десятилетия горизонт ожиданий начал приближаться, оторвавшись, наконец, от проклятой цифры в 30 лет.

Для человечества, которое пока не может справиться с перегревом планеты, реальная перспектива получения практически неограниченного количества чистой и не зависящей от внешних условий энергии — очень кстати. Тем более, что разработки ИИ оказываются все более энергоемкими, и здесь возникает надежда, что в будущем именно лазеры неожиданно могут стать важной основой энергетического обеспечения масштабных ИИ-проектов.

Сменить оптику

Фотоника. Это не очень часто встречающееся слово образовано по аналогии со словом «электроника», и за ним скрывается масса исследований, направленных на то, чтобы оптическими методами решать те задачи, которые мы умеем и привыкли решать методами электрическими. Современный интернет был бы невозможен, если бы наши каналы связи работали, как в прошлом веке, на основе металлических проводов и распространяющихся по ним колебаний электрического тока. Все магистральные каналы передачи данных, а в последние годы даже и приходящие в городские квартиры кабели для интернета и телефонии, являются оптическими. Передача данных по ним осуществляется с помощью лазерного излучения, и это уже хорошо сложившаяся практика: без лазеров невозможна инфраструктура экономики данных и просто домашний интернет.

В последние годы возникают интереснейшие разработки оптических цифровых устройств, которые решают задачи, традиционно решаемые электроникой. Современные микропроцессоры требуют все большей скорости передачи данных и все большего количества элементов в кристалле. Традиционно процессоры в современных электронных устройствах имеют размер примерно с почтовую марку. Но в погоне за требованиями очень прожорливых с точки вычислительных ресурсов ИИ-моделей стартапы уже начинают предлагать решения, в которых привычные чипы становятся размером с тарелку, упаковать нужное количество элементов памяти и транзисторов в меньший объем не получается.

Но экстенсивный путь развития (увеличение плотности элементов и размеров чипа) имеет очевидные ограничения. Поэтому все больше надежд возлагается на принципиальный переход от электронов в полупроводниках к фотонам в разных нелинейных средах. Intel и другие крупнейшие создатели микропроцессоров уделяют все больше внимания исследованиям в области оптических элементов. Возможно, следующий принципиальный прорыв в создании новых вычислительных средств окажется связан именно с фотоникой. И тогда судьбы двух важнейших открытий, совершенных в 1950-е прошлого века, переплетутся еще сильнее.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора