Поиск - новости науки и техники

Счет на фотоны. Уникальные разработки в квантовой оптике созданы в российском педвузе.

Знакомство с доктором физико-математических наук Григорием Гольцманом произошло после того, как в рубрике “Радиоэхо” одного из летних номеров “Поиска” была опубликована заметка  о проведенном китайскими учеными космическом эксперименте по квантовой коммуникации (http://www.poisknews.ru/news/digest/6385/). Знающие люди позвонили в редакцию: “Отчего вы пишете о зарубежном опыте, а о своих достижениях в той же области не упоминаете?”, и посоветовали побывать на кафедре общей и экспериментальной физики Московского педагогического государственного университета. Скажем честно, в МПГУ корреспондент “Поиска” отправился не без некоторого скептицизма: о выдающихся результатах в области новейших квантовых технологий “родом из педвуза” прежде слышать не приходилось. Но во время разговора с зав­кафедрой Григорием Гольцманом скептицизм улетучился начисто. А началась беседа с комментария ученого по поводу уже упоминавшегося эксперимента.

– Передача информации на квантовом уровне может осуществляться с помощью микрочастиц (как правило, это фотоны), – рассказывает Григорий Наумович. – Состояние фотона, например его поляризация, позволяет использовать способ кодирования информации, который используют в квантовой криптографии. При этом секретность передачи криптографического ключа обеспечивается законами квантовой физики.
Однако китайское достижение (напомним: группа китайских физиков из Университета науки и технологий (University of Science and Technology) в Шанхае объявила о том, что отправленные ими единичные фотоны достигли орбитального спутника CHAMP и вернулись на Землю. – С.Б.) само по себе не особенно интересно. Из того, что сделано в этой области, большее впечатление на меня произвел эксперимент пятилетней давности, в котором участвовали австрийские и итальянские ученые. Эта европейская программа Space-QUEST должна привести к запуску реального квантового терминала в космос в конце 2014 года (European Quantum Roadmap. Accessed 8 December 2008; http://qist.ect.it).
Есть и другие задачи, которые уходят в квантовую область, поскольку связаны с приемом очень слабых сигналов. Вы улучшаете чувствительность приемных устройств, чтобы поймать сигналы, и обязательно упретесь в квантовый предел (и фактически будете работать с одиночными фотонами). Разработка приемных устройств (оптических, инфракрасных, терагерцовых), ограниченных квантовым пределом, – это то, чем мы профессионально занимаемся. С их помощью решаем задачи квантового уровня по приему электромагнитного излучения очень малой интенсивности.
– Поясните, пожалуйста, кто – мы?
– Это сотрудники кафедры общей и экспериментальной физики, а также радиофизической лаборатории МПГУ. Наконец, в тех работах, о которых я расскажу, принимает непосредственное участие учрежденная нами компания “Сверхпроводниковые нанотехнологии”, или СКОНТЕЛ (www.scontel.ru), которая занимается коммерциализацией наших разработок в области приемных устройств, основанных на сверхпроводниках.
– Что это за разработки?
– Чтобы ответить, придется начать “от печки”. Еще в начале 1980-х годов я и моя группа занимались исследованием свойств сверхпроводящих тонких пленок с точки зрения электрон-фононного и электро-электронного взаимодействий в разупорядоченных сверхпроводниках (теперь их относят к области физики конденсированного состояния). Нам удалось продвинуть это направление в сторону разработки новых чувствительных приемных устройств, которые мы назвали “сверхпроводниковые болометры на горячих электронах”, или по-английски “hot-electron bolometers”. Первое, что мы тогда сделали на них, – так называемые смесители. Это сердце супергетеродинного приемника. Мы показали, что если делать такой смеситель в терагерцовом диапазоне частот, то можно получить приемники с рекордной чувствительностью, основанные на наших фундаментальных исследованиях сверхпроводящих тонких пленок.
В начале 1990-х, когда найти финансирование на эти разработки в России было трудно, нам удалось поставить прибор, который мы делали совместно со шведской группой профессора E.Kолберга, в европейский космический проект – Космическую обсерваторию “Гершель” (она была запущена в 2009 году). Фактически разработка терагерцового смесителя была российская, но в Европейском космическом агентстве она принималась как шведская.
– Ваше участие было зафиксировано?
– Формально нет, поскольку Россия не участвовала финансово в этом проекте, хотя все специалисты знают, что сверхпроводящие пленки, которые мы напыляем, прошли космическую сертификацию и приборы, основанные на них, летали на космической обсерватории. Наш супергетеродинный приемник терагерцового диапазона, установленный на обсерватории “Гершель”, был самый высокочастотный, с его помощью ученые получили много интересных астрономических данных. Другие участники проекта делали приборы более традиционные.
Интересно, что за то же самое дело взялась одна из основных лабораторий НАСА – Jet Propulsion Laboratory (лаборатория реактивного движения), но мы оказались более успешными, и американские разработки смесителей не попали на космический телескоп.
– В это трудно поверить.
– Американская группа действительно очень сильная, ее участники в сотрудничестве с коллегами из Йельского университета позже нас начали разработку несколько другого типа болометра на горячих электронах. Но их болометры оказались нестабильными, и мы американцев со своими приборами обошли.
– Каково их назначение?
– Это спектрометр, который не просто принимает излучение, а анализирует его спектр (линии газов) с очень высоким разрешением. Он позволяет определить, какие газы и в каком количестве присутствуют далеко в космосе, а также их температуру и скорость движения. К примеру, пары воды, кислород или углекислый газ – все они свидетельствуют о возможной жизни. С другой стороны, эти газы, а также многие другие существуют в пылевом облаке, из которого образуются звезды, поэтому по их состоянию можно судить о том, как происходят эти процессы. Причем в терагерцовом диапазоне, в котором работают наши приборы, можно дальше всего заглянуть в глубь Вселенной, “увидеть” объекты, которым более миллиарда лет.
Терагерцовые приборы, которыми мы занимались на протяжении нескольких последних лет, близки к квантовому пределу, однако работать на квантовом уровне в таком диапазоне пока не удается. Но можно подобные технологии переместить в область инфракрасных волн, где фотоны больше по энергии, и принимать их значительно легче.
В 2000 году мы стали решать задачу, которая упрощенно выглядит следующим образом. У нас есть инфракрасный фотон (его энергия довольно мала) и сверхпроводник (узкая полоска из тонкой пленки), по которой протекает электрический ток без сопротивления. Попав на такой сверхпроводник, фотон произведет некоторое воздействие. Мы обнаружили, что там есть новая интересная физика, которая позволяет понять на фундаментальном уровне, что происходит в сверхпроводнике (наноструктуре) при поглощении инфракрасного фотона. Кроме того, выяснилось, что можно создать принципиально новое приемное устройство, которое не имеет аналогов в мире. В 2001 году мы опубликовали статью, где описали, что происходит со сверхпроводником, какое возникает неравновесное состояние, когда он поглотил инфракрасный фотон. Одновременно велась экспериментальная работа, в которой было показано, что мы имеем дело не просто с новой физикой, а еще и с новой технологией.
Теперь наши публикации (“Picosecond superconducting single-photon optical detector”, G.N.Gol’tsman, O.Okunev, G.Chulkova, A.Lipatov, A.Seme-nov, K.Smirnov, C.Williams, R.Sobolewski, Applied Physics Letters 79, 705 (2001); и “Quantum detection by current carrying superconducting film”, A.D.Semenov, G.N.Gol,tsman, A.A.Korneev, Physica C: Superconductivity 351 (4), 349-356 (2001)) имеют около 1000 цитирований, в эту область пришли десятки групп по всему миру. Американские, европейские, японские стартапы пытаются нас догнать, но все еще отстают.
– К чему же привели результаты, которые вы изложили в статье, опубликованной более 10 лет назад?
– Если коротко, то сегодня наша компания работает на рынке счетчиков инфракрасных фотонов и систем, которые основаны на этих чувствительных элементах и используются в приборах, предназначенных для научных исследований. В основном в области изучения квантово-оптических явлений в различных средах. Одно из применений – квантовая криптография, с которой мы начали разговор. Мы видим в течение последних лет, что с помощью наших приемных устройств линии связи, по которым передаются квантово-криптографические ключи, могут быть гораздо длиннее и эффективнее, чем те, что основаны на полупроводниковых счетчиках фотонов, так как наши сверпроводниковые приборы эффективнее, быстрее и меньше шумят. Такие системы были сделаны в Америке, Японии, Китае, Европе. Пять лет назад мы участвовали с нашими детекторами в экспериментах Шестой рамочной европейской программы на коммерческой линии связи, где было показано, что длину передачи квантового ключа можно довести до 250 км. А недавно в компании “Сверхпроводниковые нанотехнологии” мы показали, что ее можно продлить и на 300 км.
– Каким образом?
– Мы использовали катушки с оптическим волокном, соединив которые получили линию связи в 300 км. Скорость передачи на таком расстоянии падает, но, поскольку наши счетчики фотонов самые “малошумящие” в мире, мы можем достаточно эффективно принимать даже очень слабые сигналы. Эта работа поддержана грантом Минобрнауки на ОКР и закончена два месяца назад.
– В этом интервью вы разрушили множество стереотипов. Например, выяснилось, что педвуз, профиль которого – вовсе не в том, чтобы создавать инновационные нано- и квантовые технологии, обошел такие авторитетные университеты, как МФТИ, МГТУ им. Н.Э.Баумана, а также профильные академические институты. Как это произошло? Еще один вопрос, который вполне логично возникает в конце разговора: куда смотрят РОСНАНО, Фонд “Сколково”, которые должны были просто вцепиться в вашу компанию и, как флагом, размахивать ее продукцией, демонстрируя отечественные достижения?..
– На все эти вопросы есть ответы. Среди основателей нашей кафедры – такие ученые, как академики Сергей Чаплыгин (создатель ЦАГИ) и Александр Андронов, нобелевский лауреат Игорь Тамм и профессор Григорий Ландсберг. Серьезные политические причины привели их в 1930-е годы в наш вуз, в результате чего здесь была создана одна из ведущих школ физики. Что касается РОСНАНО, то мы несколько лет пытались получить их грант, но в итоге поняли, что эта структура не “заточена” в сторону малых компаний с наукоемким бизнесом. Они хотят вкладывать большие деньги и довольно быстро получать отдачу. С малыми компаниями работать сложно: отдача возникает не мгновенно, а сопутствующих проблем довольно много. Про “Сколково” – тоже отдельный разговор. Ближе всего нам Российский квантовый центр, и у нас есть интересные совместные проекты с людьми, которые там работают, но не более того.
– А вообще нужна вам сейчас поддержка, и какая?
– Поддержка не помешала бы, особенно административная. Не секрет, что малым наукоемким компаниям работать очень трудно. Например, слишком высока цена первоначального вхождения на рынок для компании, производящей инновационную продукцию (а не мелкие технические решения). Если с нуля закупать оборудование, на котором мы работаем, потребуются
50-60 млн долларов. А на серьезную прибыль можно рассчитывать лет через десять.
– Что впереди, о чем мечтаете?
– В конце 2012 года в журнале Nature Сommunications была опубликована статья, авторами которой наряду с коллегами из Университета Бостона, Йельского университета являемся и мы – ученые из российского МПГУ. В статье описывается задачка из области фотоники, а если точнее – речь идет о размещении наших счетчиков фотонов на оптическом чипе. Свою миссию мы видим в том, чтобы на чипе получить квантовую эффективность счетчика фотонов, очень близкую к 100%, а в упомянутой статье она уже около 90%. Еще одно направление мы развиваем совместно с японскими коллегами – сверхпроводниковые кубиты, это исследование связано с тем, что сверхпроводниковые пленки, с которыми мы работаем, обладают уникально большой кинетической индуктивностью. Мы ищем пути применения этого качества. Третье направление, в котором нам интересно двигаться, – N-V-центры в алмазе. Одним словом, задач много, и останавливаться мы не собираемся.

Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА
Фото из архива Г.Гольцмана

Нет комментариев