В Центре НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» разрабатывается прототип видеодетектора инфракрасных фотонов — камеры настолько мощной, что она сможет «видеть» движение одиночных частиц такого излучения. Устройство найдёт применение в областях, где требуются высокоточные измерения: защищённые (квантовые) коммуникации, квантовые вычисления, диагностическая медицина. Работа ведётся в рамках госконтракта на выполнение ОКР по заказу Минпромторга РФ.
Первые попытки детектировать фотоны «поштучно» предпринимались ещё в начале XX века на электронных лампах — фотоэлектронных умножителях. Тогда приборы, в силу развития технологии, работали медленно, иногда не срабатывали или срабатывали ложно. Существенный «прорыв в инфракрасный диапазон» произошёл только в начале 2000-х годов — тогда команда российского физика Григория Гольцмана создала однопиксельный счётчик одиночных фотонов на сверхпроводниках.
Сейчас команда Гольцмана разрабатывает 1000-пиксельный видеодетектор одиночных фотонов. Устройство, по словам разработчиков, не имеющее аналогов в мире, позволит не только детектировать частицы, но и получать изображение в почти полной темноте.
Как отмечают авторы изобретения, 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 завершён первый этап работ, создано 8 пикселей. По словам учёных, это количество уже позволяет понять и контролировать принципы работы матрицы, дальнейший вопрос — в масштабировании.
«Сам счётчик 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.
Дальнейшая задача — с 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».
Разработчики надеются, что будущее устройство найдёт своё применение в самых высокотехнологичных областях: при создании защищённых линий квантовой коммуникации, в том числе и спутниковых каналов связи, при проектировании квантового компьютера на фотонах, в диагностических медицинских приборах, для обнаружения раковых опухолей.
