Движение одиночных частиц. Теперь мы их увидим собственными глазами
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», – поясняетГригорий 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.