На ежегодном отраслевом форуме «Микроэлектроника 2025» российские ученые вновь подтвердили лидерство отечественной науки, продемонстрировав инновационный источник одиночных фотонов, созданный в стенах легендарного Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе. Докладчиком выступил доктор физико-математических наук, признанный эксперт в области квантовой физики Алексей Акимович Торопов. Эта разработка открывает новую страницу в сфере микроэлектроники и квантовых коммуникаций благодаря исключительным характеристикам, впервые достигнутым российскими исследователями.
Однофотонные источники: ключ к будущему квантовых технологий
В отличие от привычных лазеров и ламп, выделяющих свет в виде огромных потоков фотонов, однофотонные источники формируют световые импульсы особенным образом — они выделяют по одной световой частице за раз. Такой уникальный режим излучения необходим прежде всего для квантовых вычислений, квантовой связи и абсолютно надежной криптографии будущего. В протоколах квантовой криптографии, где информация закодирована в квантовых состояниях отдельных фотонов, у любого злоумышленника нет шансов остаться незамеченным: малейшее внешнее воздействие сразу меняет состояние фотона, выдавая попытку перехвата.
В этой области создание эффективного источника, генерирующего свет минимум по одному фотону на каждый управляющий импульс, остается одной из глобальных задач современной науки. В своем докладе Алексей Акимович Торопов отметил, что такие устройства способны радикально повысить защищенность информационного обмена не только в научных центрах, таких как ФТИ и МГУ, но и в коммерческих, медицинских, государственных структурах.
Квантовые точки: искусственные атомы микроэлектроники
Ядром нового источника стали наноразмерные полупроводниковые структуры — квантовые точки, принцип работы которых во многом повторяет поведение электронов в атомах. Квантовая точка буквально ограничивает движение электрона, создавая для него искусственную капсулу. Здесь электрон может существовать только на энергитически разрешённых уровнях, а при переходе между ними испускает фотон с заранее заданными параметрами.
Управляя размером квантовой точки, ученые научились «программировать» цвет испускаемого фотона — чем меньше размер, тем короче волна. Это позволяет подбирать идеальные диапазоны для оптоволоконных коммуникаций, где потери минимальны и возможно передавать информацию на рекордные расстояния. В разработках ФТИ им. А.Ф. Иоффе достигнут малый размер и высокая воспроизводимость квантовых точек, что делает российские источники конкурентоспособными на глобальном уровне.
Преодоление барьеров: высокие показатели эффективности
Существенным вызовом длительное время оставалось достижение максимальной яркости — вероятности того, что каждый оптический импульс действительно сопровождается излучением одного фотона, а не двух и не нуля. В идеале это значение должно быть равно 100%. Доктор Торопов в своем выступлении подчеркнул, что коллективу ФТИ удалось существенно приблизиться к этим параметрам благодаря глубокому анализу физических процессов и использованию новейших материалов.
Специальные двухуровневые квантовые системы возбуждаются сверхкороткими лазерными импульсами, не позволяя системе отдавать более одного фотона за цикл. Таким образом, максимально снижается вероятность так называемой многократной эмиссии — нежелательной помехи для высокоточных измерений и передачи данных. Конечная цель ученых — создать источник, где на каждый триггерный импульс будет гарантировано испускаться ровно один фотон, что откроет принципиально новые горизонт для развития квантовой связи.
Перспективы интеграции и вклад в отечественную науку
Разработка, представляемая доктором Тороповым, тесно связана с рядом ведущих российских вузов: МГУ имени М.В. Ломоносова, российскими квантовыми лабораториями и предприятиями микроэлектроники. Выход новых источников одиночных фотонов на рынок ускорит внедрение безопасных каналов передачи информации, позволит реализовать инновационные протоколы в государственном и банковском секторах. Такая синергия образовательных, исследовательских и производственных центров делает Россию лидером в области квантовых технологий.
Новые эксперименты, в том числе коллаборации с учеными МГУ, продолжаются и в этом году, и уже демонстрируют амбициозные успехи. Инженерные решения, созданные в рамках данного проекта, находят применение и в новых системах Light-технологий, определяя будущее как национальной, так и мировой электронной отрасли.
Ближайшие задачи и оптимистичный взгляд в будущее Light-технологий
С каждым годом российские исследователи, объединяющие усилия Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, МГУ и промышленных партнеров, идут вперед семимильными шагами. Преодолены множество технологических преград, и сегодня наша страна входит в число лидеров в области создания источников одиночных фотонов. Развитие этих уникальных Light-технологий не только обеспечивает безопасность коммуникаций, но и раскрывает возможности для квантового интернета, высокоточных научных экспериментов и медицинских приложений.
Успехи команды Алексея Акимовича Торопова демонстрируют, что российская наука готова формировать облик будущего световых, электронных и квантовых систем. Оптимизм и профессионализм отечественных исследователей становятся залогом прогресса в самой передовой сфере XXI века!
На сегодняшний день большой интерес в научном мире вызывает создание надежных источников одиночных фотонов. Традиционно для проведения экспериментов и построения прототипов используют весьма слабые лазерные импульсы. Это связано с тем, что создание настоящих, детерминированных генераторов одиночных фотонов сопряжено с определенными техническими сложностями. Однако, как отмечают специалисты, именно статистические особенности излучения лазеров становятся преградой для дальнейшего увеличения скорости работы подобных систем: при попытке повысить интенсивность теряется сама уникальность однофотонного сигнала. В связи с этим сегодня ведущие мировые лаборатории активизировали усилия по разработке инновационных источников фотонов — в качестве основы зачастую выбирают одиночные квантовые точки, интегрированные в полупроводниковые платформы.
Квантовые точки: новые горизонты фотоники
Один из ключевых направлений развития однофотонных источников связан с использованием квантовых точек на таких материалах, как арсенид индия. Квантовая точка, помещенная в микрорезонатор, демонстрирует излучение на длинах волн, соответствующих телекоммуникационному диапазону, что крайне важно для передачи данных по оптоволоконным сетям. Главным преимуществом подобных систем стала высокая «однофотонность» — то есть способность генерировать по-настоящему индивидуальные фотоны с невероятной точностью генерации. Для оценки однофотонного режима применяется корреляционная функция второго порядка при нулевой задержке, и современным ученым уже удалось добиться значения порядка 0,03 — показатель, подтверждающий высокое качество источника.
Тем не менее, даже с учетом достижений, настоящей задачей остается повышение конечной эффективности устройств. На практике сейчас лишь небольшая доля созданных фотонов попадает в одномодовые оптические волокна — речь идет о значениях, зачастую не превышающих 5% (это менее 5 фотонов на каждую сотню импульсов накачки). Такой параметр как «яркость» однофотонного источника становится критическим: именно он в будущем определит возможность конкурировать с наиболее совершенными решениями на базе слабых лазеров.
Российские ученые в авангарде новых технологий
Эксперты из ФТИ им. А.Ф. Иоффе предложили и реализовали свою оригинальную архитектуру однофотонного источника, которая берет начало еще в начале 2000-х годов. Основой служит квантовая точка, испускающая одиночные фотоны под воздействием света, а для значительного усиления этого эффекта применяется специальный микрорезонатор. Ведь природные свойства квантовых точек таковы, что сами по себе они излучают крайне слабо и неэффективно. Резонатор же позволяет существенно увеличить взаимодействие точек с излучением, собрав фотоны в одну пространственную моду, что резко повышает пригодность системы для реальной работы.
В итоговом варианте российские ученые разработали источник, выполненный в виде микрорезонатора-«столбика», с распределенными брэгговскими зеркалами и активной областью, чья толщина соответствует только одной длине волны. Посреди этой активной зоны располагается единственная квантовая точка, играющая решающую роль в генерации фотонов.
Умные подходы для повышения эффективности
Для возбуждения квантовой точки применяется так называемая резонансная когерентная накачка — это когда оптический импульс строго совпадает по длине волны с излучаемым фотоном. Такой подход позволяет добиться высокой селективности и избежать фона, вызванного посторонним светом. Однако остается сложность: отделить собственно фотон, испускаемый квантовой точкой, от отраженного лазерного импульса. Классическая схема предполагает использование перекрестной поляризации, что традиционно приводит к потере половины сигнала.
Тем не менее, передовые разработки позволили российским ученым значительно снизить эти потери — до рекордных 14%! Секрет — применение анизотропного микрорезонатора, который может поддерживать две взаимно перпендикулярные моды: одна возбуждается лазером, а другая — используется для регистрации фотона. Дополнительным преимуществом стало внедрение инновационного метода управления зарядовым состоянием квантовой точки, что требуется для корректной работы резонатора с выраженной анизотропией. Посредством грамотно подобранного легирования и оптического смещения уровня Ферми удалось работать в режиме кулоновской блокады и держать заряд квантовой точки под полным контролем.
Рекордная эффективность и взгляд в будущее
Благодаря комплексному подходу и внедрению смелых технических решений, российским ученым удалось достичь ранее недостижимой для монолитных однофотонных источников эффективности — целых 34%. Это настоящий мировой рекорд, особенно если учитывать, что удалось сохранить отличные параметры однофотонности, которые необходимы для практического применения таких устройств в квантовой связи и в будущем – квантовых вычислениях. Такие успехи внушают оптимизм и открывают новые перспективы для внедрения однофотонных технологий в сферу телекоммуникаций, защищенных коммуникаций и прорывных вычислительных систем.
Широкое распространение подобных источников совершит настоящий переворот в области квантовой коммуникации. Всё больше компаний и исследовательских коллективов во всем мире уже нацелены на эти направления, создавая прототипы нового поколения. И, судя по последним достижениям, эра практичного использования одиночных фотонов становится все ближе! Новые горизонты для науки и высоких технологий уже совсем рядом — и это отличные новости для всех, кто верит в силу прогресса и инноваций!
Современный рынок устройств, генерирующих одиночные фотоны, пока остаётся довольно специализированным и в основном нацелен на научные исследования. Так, уникальные фотонные источники, разработанные инновационными коллективами учёных, уже находят своё применение в ведущих университетах страны для проведения сложных экспериментов в области квантовых вычислений. Особенно активно такие технологии используются в тестах по созданию фотонных квантовых компьютеров, прокладывая дорогу интеллектуальным открытиям и необычайно интересным открытиям в мире физики.
Первые шаги к реальному применению
Тем не менее, границы лабораторных стен стремительно размываются. Однофотонные излучатели сегодня все чаще появляются во внешних отраслях, демонстрируя колоссальный потенциал для повседневных задач. Одна из самых перспективных и востребованных сфер — телекоммуникации. Здесь источники одиночных фотонов становятся краеугольным камнем для построения невероятно защищённых каналов связи. Принцип квантовой передачи данных чрезвычайно прост и надёжен: если кто-то попытается перехватить или измерить сигнал, фотон тут же исчезает, что сразу отмечается системой безопасности. В результате любые попытки перехватить данные терпят неудачу, такие каналы обеспечивают по-настоящему надежную и полностью защищённую передачу информации.
Перспективы квантовых технологий
Особое внимание специалистов привлекают квантовые точки — миниатюрные структуры, которые способны играть ключевую роль в создании кубитов, основных элементов квантовых вычислительных машин. Благодаря новейшим разработкам уже в обозримом будущем квантовые компьютеры смогут за считанные минуты решать задачи, требующие тысячи лет работы для современных классических суперкомпьютеров. Всё это обещает настоящий технологический прорыв и открывает возможности, ранее казавшиеся фантастическими.
Бурное развитие компьютерных вычислений, совершенствование систем защиты данных и появление новых способов передачи информации прямо связаны с совершенствованием однофотонных излучателей. Внедрение этих инновационных решений приведет к формированию новых рынков, трансформации привычных отраслей и, несомненно, улучшению качества жизни общества в целом. Яркие открытия и постоянное движение науки вперёд дарят надежду на то, что уникальные источники одиночных фотонов уже в ближайшее время выйдут за рамки научных лабораторий и станут неотъемлемой часть современного технологичного мира.
Источник: scientificrussia.ru
