Сверхпроводниковые однофотонные детекторы российского производства подтвердили не только свою практическую востребованность в таких отраслях, как квантовая криптография или медицина, но и востребованность на мировом рынке. Доктор физико-математических наук Григорий Наумович Гольцман в докладе на пленарном заседании форума «Микроэлектроника 2025» рассказал о тонкостях создания и работы подобных детекторов и поделился данными об успешных проектах, где они применяются.
В мире измерений существует фундаментальный предел — квантовый. Когда свет ослабевает до уровня отдельных частиц, фотонов, обычные законы макромира перестают работать. Традиционные фотодетекторы, подобные тем, что установлены в камерах смартфонов, в этой области слепы. Они оперируют потоками из миллионов фотонов, но бессильны перед единственным квантом света. Для работы на этой грани и были созданы однофотонные детекторы — устройства, способные зафиксировать приход самого малого количества света, которое только возможно.
Необходимость в таких приборах продиктована задачами, где каждый фотон несет уникальную информацию. Их работа основана на использовании тонких квантовых эффектов в специальных материалах, охлаждаемых до крайне низких температур. Принцип действия можно упрощенно описать как создание условия для лавины. Одиночный фотон, попадая на сверхчувствительный полупроводниковый элемент, провоцирует в нем цепную реакцию — лавину носителей заряда, которая преобразуется в легко регистрируемый электрический импульс. Каждый такой импульс — это свидетельство о прибытии одного фотона. Таким образом, детектор не «видит» свет в привычном смысле, а скорее «слышит» отдельные квантовые щелчки.
«Хотелось бы осветить наше участие в международных и отечественных проектах по квантовой криптографии. Квантовая криптография, передача квантового ключа — один из самых больших сегментов рынка для нас. Наши приборы покупали, в том числе сначала и в Америке. Вот первая сеть распределения квантового ключа в Бостоне, 2002-2007 гг. Линия была небольшой, 29 км, финансировала DARPA. Детекторы на 1.5 микрона тогда были только наши, так что выбора у них не было. Постепенно возникли американские компании, и американский рынок мы потеряли. Но тогда было показано, что счет фотонов в протяженных линиях квантовой связи возможен и хорошо работает», — пояснил Г.Н. Гольцман.
Рекордная дальность передачи квантового ключа была показана в 2022 г. с китайскими коллегами — 830 км, рассказал ученый. Сейчас они же передают ключи на тысячи километров. Все это достигается за счет фильтрации комнатного фона на детекторе и снижения темновых отсчетов до одной десятой, одной сотой в секунду, то есть одного отсчета в день. Это позволяет медленно, но надежно передавать ключ.
«Перейду к другим применениям. В этой работе показано, что считать фотоны нашим способом можно до 29 микрон. Это означает, что можно делать метеоустойчивую связь в окнах прозрачности атмосферы в инфракрасном диапазоне, вплоть до среднего и дальнего ИК, доходящую до одного фотона. Это перспектива. Еще китайская работа: лидар на дроне с 90% эффективностью. Используется маленький дешевый криостат, можно даже стеклянный, заливается пара литров жидкого гелия, и он работает в течение суток. Потом дрон возвращается для заправки, что не очень практично, но дает перспективу. Такие лидары для суточного действия могут обнаруживать слабо отражающие цели на расстоянии свыше 100 км. Они могут работать и в условиях тумана, плохой видимости, в рассеивающих средах, поскольку одиночный фотон имеет вероятность пройти сквозь такую среду», — сообщил ученый.
Отдельно Г.Н. Гольцман остановился на российских разработках в области медицины. Вместе с Приволжским медицинским университетом ученые вели работу по раковым клеткам. Исследовались специально приготовленные объекты из живых раковых клеток, измерялся синглетный кислород, который производят раковые клетки. Итогом было точное определение контура опухоли для хирургии. Детекторы позволили обнаруживать и удалять опухоли размером в несколько миллиметров. В другой работе было показано, что при помощи однофотонных детекторов можно неинвазивно изучать кровоток в мозге на достаточной глубине. В офтальмологии им также нашли интересное применение — обнаружение липофусциновых гранул, которые формируются на ранней стадии заболевания сетчатки, что позволяет заранее диагностировать ее поражение.
