Ученые Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» представили первый в мире прототип видеодетектора инфракрасных фотонов – камеры настолько мощной, что она сможет «видеть» движение одиночных частиц такого излучения. Устройство найдет применение в областях, где требуются высокоточные измерения: защищенные (квантовые) коммуникации, квантовые вычисления, диагностическая медицина. Работа ведется в рамках госконтракта на выполнение ОКР по заказу Минпромторга РФ.
Первые попытки детектировать фотоны «поштучно» предпринимались еще в начале XX века на электронных лампах – фотоэлектронных умножителях. Однако первые приборы, в силу слабой технологической составляющей, работали медленно, иногда не срабатывали или срабатывали ложно. 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.
Сейчас, в 2020 году, уже в составе Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» по заказу Минпромторга РФ, команда разрабатывает 1000-пиксельный видеодетектор одиночных фотонов. Устройство, не имеющее аналогов в мире, позволит не только детектировать частицы, но и получать изображение в почти полной темноте.
Как отмечают разработчики, запрос на многопиксельные детекторы фотонов растёт вместе с развитием технологий. Новые камеры будут использоваться в оптоволоконных сетях в защищённых каналах связи для обеспечения безопасности передачи данных.
«Если злоумышленник попытается украсть какую-то информацию, закодированную с помощью фотонов, то он просто не сможет сделать это скрытно. Детекторы фотонов будут устанавливаться как у потребителя, так и у отправителя информации. И если информацию украли, то об этом станет известно со скоростью света», — говорит Григорий Гольцман, главный научный сотрудник лаборатории «Квантовые коммуникации» Центра НТИ НИТУ «МИСиС», основатель компании «Сконтел».
На данный момент завершен первый этап, создано 8 пикселей. По словам ученых, это количество уже позволяет понять и контролировать принципы работы матрицы, дальнейший вопрос – в масштабировании.
«Сам счетчик находится внутри криостата при температуре всего 2 Кельвина, что близко к абсолютному нулю. При детектировании фотона он посылает сигнал на схему обработки, и на дисплее возникает изображение», – поясняет Григорий Гольцман.
Следующий шаг – из матрицы в 1000 пикселей получить изображение в 1 000 000 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. Открываете один паттерн, измеряете, сколько света попадает на детектор, дальше – второй паттерн, и так далее», – рассказывает Александр Корнеев, старший научный сотрудник лаборатории «Квантовые коммуникации» Центра НТИ НИТУ «МИСиС».
Как отмечают разработчики, устройство найдет свое применение в самых высокотехнологичных областях: при создании защищенных линий квантовой коммуникации, в том числе и спутниковых каналов связи, при проектировании квантового компьютера на фотонах, в диагностических медицинских приборах, для обнаружения раковых опухолей.
Лаборатория Квантовые коммуникации НИТУ МИСиС
Лаборатория Квантовые коммуникации НИТУ МИСиС
Справка о НИТУ «МИСиС»
НИТУ «МИСиС» — один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ «МИСиС» также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях «Инжиниринг–Горное дело» (рейтинг QS) и «Инжиниринг-Металлургия» (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ «МИСиС» в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).
Стратегическая цель НИТУ «МИСиС» к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В НИТУ «МИСиС» учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% – это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ «МИСиС» успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.