Съемки одинокой частицы

Российские ученые создают самую чувствительную в мире видеокамеру. Прототип видеодетектора инфракрасных фотонов разрабатывает команда ученых Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСиС. Эта камера настолько мощная, что она сможет «видеть» движение одиночных частиц. В ней будет установлена матрица на тысячу пикселей, а применение такая система найдет в целом ряде областей, где требуются высокоточные измерения: защищенные коммуникации, в том числе спутниковые; квантовые вычисления; диагностическая медицина. Разработка ведется в рамках госконтракта на выполнение опытно-конструкторских работ по заказу Минпромторга.

Фотон — элементарная квантовая частица электромагнитного излучения, или, иначе говоря, света. Насколько важные и разноплановые функции выполняет излучение того или иного спектра, настолько же интересные применения можно найти для одиночных фотонов этого излучения. Например, имея возможность отследить отдельные кванты инфракрасного света, можно существенно повысить безопасность линий связи, точность измерительных приборов.

 

Как посчитать фотоны

Идея детектировать фотоны «поштучно» не нова: первые попытки успешно предпринимались еще в начале XX века на электронных лампах — фотоэлектронных умножителях. Однако приборы в то время в силу слабой технологической составляющей работали довольно медленно, иногда не срабатывали, а иногда срабатывали ложно.

Потом появились полупроводниковые приборы — лавинные фотодиоды, которые работали лучше, но только с видимым светом. Но крайне необходимо детектировать фотоны «поштучно» в инфракрасном диапазоне: только в нем работают волоконные линии связи, излучают слабо нагретые объекты, многие вещества имеют характерное излучение.

Существенный прорыв в инфракрасный диапазон произошел в начале 2000-х годов — тогда команда российского физика Григория Гольцмана, основав компанию «Сконтел», создала однопиксельный счетчик одиночных фотонов на сверхпроводниках.

Как пояснил «Стимулу» Григорий Гольцман, который сейчас является главным научным сотрудником лаборатории квантовых коммуникаций Центра НТИ НИТУ МИСиС, принципиальное преимущество сверхпроводников в том, что минимальная энергия фотона, необходимая для появления пары дополнительных электронов, на порядки меньше, чем для появления пары электрон — дырка в полупроводнике. Для этого годятся фотоны даже дальнего инфракрасного диапазона. Однако в сверхпроводнике одной пары недостаточно, чтобы сверхпроводимость разрушилась. В то же время инфракрасный фотон достаточно энергичен, чтобы после его поглощения появились сотни дополнительных электронов, и если они не убегут быстро из этой области, то сверхпроводимость в ней будет подавлена. Особенность же конструкции в том, что сверхпроводник представляет собой нанопровод (узкую полоску шириной 100 нм из пленки толщиной 5 нм), по которому течет ток, по величине близкий к срыву сверхпроводимости. В результате при поглощении фотона сверхпроводимость локально разрушается, ток резко падает, и в схеме регистрации возникает импульс напряжения. Если говорить упрощенно, так работает сверхпроводниковый однофотонный детектор.

«В течение пяти лет российская компания “Сконтел” оставалась единственной в мире на рынке сверхпроводниковых однофотонных детекторов, — рассказывает Григорий Гольцман. — Постепенно возникли конкуренты в США, Евросоюзе, Китае, но и сейчас значительная часть этого рынка остается за россиянами. Исследование рынка показывает, что есть настоятельная потребность переходить от однопиксельных счетчиков одиночных фотонов к однофотонной видеокамере, однако пока никто из конкурентов не преуспел, хотя они и стараются».

Сейчас, уже в составе Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСиС, команда компании «Сконтел» по заказу Минпромторга РФ разрабатывает 1000-пиксельный видеодетектор одиночных фотонов. Устройство, не имеющее аналогов в мире, позволит не только детектировать частицы, но и получать изображение почти в полной темноте. На данный момент завершен первый этап, создан чип из восьми пикселей. По словам ученых, это количество уже позволяет понять и контролировать принципы работы матрицы, следующая задача — масштабирование: из матрицы в тысячу пикселей надо получить изображение в миллион пикселей. Можно «открывать» по одному пикселю, как в старых телевизорах, но это будет очень медленно. Поэтому для дальнейшего масштабирования получившегося изображения его пропускают через специальные паттерны. Есть способ ускорить процесс — открывать пиксели группами. Для этого применяются специальные трафареты. Открывается один паттерн, проводится измерение, сколько света попадает на детектор, затем — второй паттерн и так далее.

 

От квантовых коммуникаций до медицинских приборов

Конечное устройство найдет свое применение в самых высокотехнологичных областях, к примеру при создании защищенных линий квантовой коммуникации, в том числе спутниковых каналов связи. Квантовые коммуникации — уникальный вид передачи информации, основанный на квантовой криптографии. Он разрабатывается так, чтобы сообщение просто невозможно было перехватить. Причем это нельзя сделать не из-за сложности шифрования, а потому, что взлом такой системы противоречит фундаментальным законам физики.

«Если злоумышленник попытается украсть какую-то информацию, закодированную с помощью фотонов, он просто не сможет сделать это скрытно. Детекторы фотонов будут устанавливаться как у потребителя, так и у отправителя информации. И если информацию украли, об этом станет известно со скоростью света», — говорит Григорий Гольцман.

Новые камеры будут использоваться также в диагностических медицинских приборах и при проектировании квантового компьютера на фотонах. По словам Григория Гольцмана, одно из перспективных направлений разработки квантового компьютера — квантовые фотонные интегральные схемы. В них носитель квантового бита информации, фотон, двигаясь по оптическому волноводу, должен в итоге быть зарегистрирован. Единственная существующая технология для этого — сверхпроводниковый однофотонный детектор. В перспективе в реализованном квантовом компьютере на фотонах необходимо будет иметь тысячи, а потом и миллионы таких детекторов.