Регистрация предельно слабых световых сигналов давно перестала быть лишь академической задачей и превратилась в один из краеугольных камней новой технологической эпохи. О том, как рождалась и эволюционировала эта область, насколько критичной она оказалась для космической связи, квантовых вычислений и медицины, рассказал Григорий Наумович Гольцман — заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики Московского педагогического государственного университета, профессор, доктор физико-математических наук и основатель компании «Сконтел» (SCONTEL), признанной одним из мировых лидеров в производстве сверхпроводниковых однофотонных детекторов.
Фундамент дисциплины был заложен более века назад, когда выяснилось, что свет дискретен и его мельчайшей порцией выступает фотон. Именно объяснение фотоэффекта принесло Альберту Эйнштейну Нобелевскую премию и обозначило абсолютный предел чувствительности любого фотоприемника. «Когда Стива Джобса спросили, как он пришел к телефону с сенсорным экраном, он ответил: “Я опрашивал людей, и все говорили — делайте большую кнопку. Никто не сказал мне, что нужен сенсорный экран”. В этом смысле мы, конечно, отталкиваемся от возможностей. И первые такие возможности появились больше 100 лет назад с открытием фотоэффекта. Тогда стало понятно, что пределом в детектировании света оказался фотон. Меньше, чем фотон, уже быть не может», — сказал Г.Н. Гольцман.
Тем не менее одиночные фотоны долгое время оставались недосягаемыми для практической электроники. Технологический ландшафт счета фотонов начинался с вакуумных фотоэлектронных умножителей — ламповой техники, уступившей место полупроводниковым лавинным фотодиодам. Однако подлинная революция, по словам ученого, произошла лишь с появлением сверхпроводниковых однофотонных детекторов (SSPD, они же SNSPD). Именно они позволили перенести счет фотонов на интегральные микросхемы и создать квантовые оптические чипы, где свет движется не в свободном пространстве, а по волноводам.
«У вас есть электрический провод, очень тонкий, с сечением в тысячи раз меньше человеческого волоса, а если сечение квадратное, то и в миллион раз меньше. Этот провод находится в сверхпроводниковом состоянии, у него нет электрического сопротивления. Но когда фотон поглощается в какой-то точке такого провода, его энергии оказывается достаточно, чтобы разрушить это явление сверхпроводимости. Возникает сопротивление, и электрический ток резко падает. А когда ток резко падает, возникает электрическое напряжение, которое мы можем обрабатывать как обычный электрический сигнал», — рассказал Г.Н. Гольцман.
Г.Н. Гольцман
Эволюция самой технологии выглядела так: вначале исследователи работали с одиночным нанопроволочным детектором, затем освоили приемные площадки и перешли к микроразмерным проводникам. Принципиальным же шагом стала интеграция в оптическую микросхему. Первая публикация, положившая начало этому направлению, датируется 2012 г.
Важнейшая конструктивная особенность, отличающая сверхпроводниковые детекторы от любых аналогов, — необходимость криогенного охлаждения. Попытки уйти от низких температур наталкиваются на фундаментальный запрет: тепловые шумы полностью маскируют одиночные квантовые события.
«Если вы хотите считать фотоны с такой малой энергией, то, как только вы переходите к температурам, близким к комнатным, всегда возникают тепловые шумы, которые этому принципиально препятствуют. Это непреодолимо, это конструктивная особенность. Вообще, квантовая физика конкурирует в этом смысле с теплом. Тепло создает шумы и полностью затемняет все квантовые эффекты», — объяснил Г.Н. Гольцман.
Поглощенный фотон рождает «горячее пятно» — микроскопическую несверхпроводящую область, в которой возникают абрикосовские вихри (за их предсказание А.А. Абрикосов также был удостоен Нобелевской премии). Только детальное понимание того, как вихри формируют перетяжку сверхпроводящей полоски, позволило создать детекторы с рекордными показателями: квантовая эффективность — до 90% и выше, темновой счет — менее одного ложного срабатывания в секунду, временное разрешение — 35–45 пс (пикосекунд), скорость счета — до 100 МГц и спектральный диапазон — от видимого до среднего инфракрасного.
Ярчайшей иллюстрацией возможностей технологии стала миссия NASA Artemis II. В апреле 2026 г. корабль Orion с экипажем, находясь на лунной дистанции, передал на Землю более 100 ГБ данных со скоростью до 260 Мбит/с — от снимков высокого разрешения до 4K-видео. Ключевым элементом наземной приемной станции O2O служил массив сверхпроводниковых однофотонных детекторов, способный регистрировать буквально каждый долетевший квант света. Пятно лазера на Земле достигало сотен километров в поперечнике, и лишь технология счета фотонов позволила извлечь сигнал из глубочайшего шумового фона. Этот сеанс связи ознаменовал переход дальнего космоса в эру постоянного широкополосного интернета.
И ведь право первенства в создании класса детекторов, без которого такая связь была бы невозможна, принадлежит России. В 2001 г. Григорий Наумович Гольцман с коллегами из МПГУ опубликовал знаковую статью Picosecond superconducting single-photon optical detector, где впервые экспериментально реализовал регистрацию одиночных фотонов сверхпроводниковой нанополоской. Уже в 2004 г. ученый вместе с учениками основал компанию «Сконтел», которая ныне занимает, по экспертным оценкам, до 40–50% мирового рынка квантовых счетчиков, поставляя приборы в десятки стран.
Технологический суверенитет России в области счета фотонов получил неожиданное подтверждение санкциями. В 2022 г. Евросоюз запретил поставки в страну приборов класса SSPD, а затем Минфин США включил «Сконтел» в санкционный список SDN с формулировкой «за участие в создании квантовых вычислительных систем». Как отметил Г.Н. Гольцман, «запрещать поставлять то, что мы производим сами и продаем на мировой рынок, было бессмысленно». Санкции лишь ускорили переориентацию поставок на рынки Китая, Японии, Индии и других стран.
В квантовой криптографии детекторы «Сконтел» востребованы с самого зарождения этой области. Еще в 2002–2007 гг. они применялись в первой бостонской сети распределения квантового ключа (проект DARPA). Впоследствии с их участием была продемонстрирована рекордная дальность квантового распределения ключа — 830 км, а сегодня ключи передаются на тысячи километров. Рекордно низкий темновой счет (сотые доли импульса в секунду, или один ложный отсчет в день) оказывается принципиально важным для подавления шумов в протяженных квантовых линиях. В Китае главные магистральные квантовые сети, включая линию Пекин — Шанхай, на дальних сегментах используют именно российские SSPD-детекторы.
Другое магистральное направление — квантовые вычисления на фотонах. В архитектуре фотонного квантового компьютера кубитами служат одиночные кванты света, а детекторы с предельной чувствительностью необходимы для считывания результатов. Параллельно развивается проект «Тинфотоника» — своего рода второе поколение научной школы Г.Н. Гольцмана. Его цель — перенести громоздкие лабораторные оптические столы на миниатюрные чипы, где фотонные маршруты прокладываются по волноводам и не боятся ни вибраций, ни засветок. Это путь к промышленным устройствам для массового сектора.
Высокая чувствительность и быстродействие делают детекторы незаменимыми и в лидарных системах. Эксперименты показывают, что они позволяют обнаруживать слабо отражающие цели на расстояниях свыше 100 км, в том числе в тумане и условиях плохой видимости. Это открывает возможность создания всепогодных систем космического и наземного мониторинга, наблюдения за космическим мусором и астероидной опасностью.
Одним из самых социально значимых применений технологии Г.Н. Гольцман называет медицину. В рамках фотодинамической терапии специальные маркеры, введенные в организм, излучают под действием света одиночные фотоны. Регистрация этого синглетного кислорода позволяет с беспрецедентной точностью оконтурить злокачественную опухоль и выполнить ее резекцию на стадии, когда размеры новообразования исчисляются миллиметрами. Совместные исследования с Приволжским медицинским университетом уже ведутся на культурах живых раковых клеток. Другое направление — неинвазивная диагностика глазных заболеваний по обнаружению липофусциновых гранул, а также исследования кровотока в головном мозге на достаточной глубине.
«Это онкология. Похожие задачи ставятся и в офтальмологии. Это все, что происходит в человеческом организме при испускании одиночных фотонов, либо когда мы запускаем туда специальные маркеры. Они распределяются, мы возбуждаем их светом, а излучают они одиночный фотон, и мы должны его принять», — объяснил Г.Н. Гольцман.
Ученый убежден, что воспитывать интерес к квантовой физике нужно со школьной скамьи, причем не через заучивание формул, а через эксперимент. Простейший опыт — передать сигнал лазерной указкой по оптоволокну, прерывая луч рукой и демонстрируя таким образом нули и единицы, — превращает класс в лабораторию и пробуждает любознательность даже у «бездельников с последней парты». Постепенное усложнение ведет к вопросам о пределе света, о том, что такое один фотон, и естественным образом подводит к понятиям квантовой физики. Элементы такого подхода сегодня обсуждаются в связи с разработкой новых единых учебников по физике.
Сверхпроводниковые однофотонные детекторы, рожденные из фундаментальных исследований неравновесных процессов в наноструктурах, превратились в инструмент, определяющий облик современных и будущих технологий. Следующий шаг — создание многоэлементных матриц, которые откроют эру счета фотонов в каждом пикселе массовых камер.
«Переход от одного пикселя к мегапикселям — а сначала к килопикселям, тысячам, десяткам тысяч и т.д. — это революционное направление для видеокамер телефонов, фотоаппаратов и др. Получение изображения на уровне одного фотона — новое направление, которое пока отсутствует на рынке. И мы вполне можем быть первыми, кто займет эту рыночную нишу», — заключил Г.Н. Гольцман.
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источники изображения на главной и на странице: Magnific / Duke University
