Российские ученые создают самую чувствительную видеокамеру в мире

Фотон – элементарная квантовая частица электромагнитного излучения или, иначе говоря, света. Насколько важные и разноплановые функции выполняет излучение того или иного спектра, настолько же интересные применения можно найти для одиночных фотонов этого излучения. Например, имея возможность отследить отдельные кванты инфракрасного света, можно существенно повысить безопасность линий связи, точность измерительных приборов.

Команда ученых Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» разрабатывает первый в мире прототип видеодетектора инфракрасных фотонов – камеры настолько мощной, что она сможет «видеть» движение одиночных частиц такого излучения. В камере будет установлена матрица на 1000 пикселей, а применение такая система найдет в целом ряде областей, где требуются высокоточные измерения: защищенные коммуникации, в том числе и спутниковые, квантовые вычисления, диагностическая медицина. Разработка ведется в рамках госконтракта на выполнение ОКР по заказу Минпромторга РФ.

Эта идея не нова – 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, а иногда срабатывали ложно. Потом появились полупроводниковые приборы – лавинные фотодиоды, которые работали лучше, но только с видимым светом. 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. 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», – рассказывает Григорий Гольцман, главный научный сотрудник лаборатории «Квантовые коммуникации» Центра НТИ НИТУ «МИСиС», основатель компании «Сконтел».

Следующий будущий наш 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, конечное 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, а также в диагностических медицинских приборах.