Физики под руководством Масахиро Ябуно (Masahiro Yabuno) из Национального института информации и коммуникационных технологий в Кобе представили первый широкий сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нитрида ниобия титана NbTiN. Его ширина составила 20 микрометров, а проблему темнового тока ученые решили, изменив структуру детектирующей полоски. В новом детекторе создавалось сразу два разных критических тока, причем краевые области имели более высокие критические токи, чем центральная. Такая структура блокирует вихревое проникновение токов в центральную область, тем самым уменьшая темновой счет. Это позволяет равномерно приложить более высокий ток смещения к центральной области полосы. При этом боковые области полосы не задействованы при регистрации фотонов, что уменьшает влияние на характеристики детектора возможных краевых дефектов, возникающих при производстве.

Концептуальная схема однофотонного детектора нового типа. Masahiro Yabuno et al. / Optica Quantum

Чтобы добиться такой структуры, физики облучали центральную область полоски нитрида ниобия титана пучком ионов аргона. Такая процедура эффективно снижает критическую температуру и максимальный ток в тонкой сверхпроводящей полосе. Ученые отмечают, что на сегодняшний день неизвестно, почему пучок ионов аргона так действует на сверхпроводящую полоску. Однако при помощи такого метода Ябуно с коллегами создали образец однофотонного детектора с новой сверхпроводящей структурой.

Эффективность регистрации и темновой ток стандартного сверхпроводящего однофотонного детектора шириной 20 микрометров. Masahiro Yabuno et al. / Optica Quantum

Ученые сравнили характеристики нового детектора с детектором такой же ширины, изготовленным обычным способом, а также с детектором, который подвергся облучению ионами аргона по всей ширине. Во всех случаях физики облучали детекторы фотонами с длиной волны 1550 нанометров. Эксперименты производились при двух температурах 0,76 и 2,2 кельвин. В обоих случаях в детекторе с новой структурой удалось приложить более высокие токи смещения и выйти на плато по эффективности регистрации фотонов без неконтролируемого роста темнового счета. После оптимизации нового детектора удалось достичь 78 процентов эффективности регистрации одиночных фотонов при уровне около 80 шумовых отсчетов в секунду при температуре 0,76 кельвин. При этом из-за большой ширины детектора, эффективность регистрации фотонов не зависела от их поляризации.

Эффективность регистрации и темновой ток нового типа детектора с оптимизированной оптической структурой. Masahiro Yabuno et al. / Optica Quantum

Такая технология может упростить и удешевить производство однофотонных детекторов, необходимых для квантовых вычислений. Другое направление развития таких детекторов — увеличение их пропускной способности. Ранее мы рассказывали, как однофотонный детектор научили считать до четырех.

Поймать квант света: как сверхпроводимость открыла охоту на одиночные фотоны и почему Россия здесь в лидерах

Представьте, что вам нужно зафиксировать падение одной-единственной капли дождя в бушующий океан или услышать шепот человека на другом конце стадиона во время футбольного матча. Примерно такую же задачу решают физики, когда пытаются поймать и зарегистрировать единичный фотон — мельчайшую, неделимую порцию света.

Обычные кремниевые сенсоры наших смартфонов или даже профессиональных камер на такое не способны: слабый сигнал просто утонет в электронном шуме. На помощь пришла квантовая физика и её самое «леденящее» явление — сверхпроводимость. Сверхпроводниковые нанопроволочные детекторы одиночных фотонов (SNSPD или SSPD) произвели революцию в квантовых технологиях. И мало кто знает, что у истоков этой технологии стояли именно российские ученые, чьи разработки до сих пор считаются эталоном на мировом рынке.

Как это работает: физика на грани исчезновения

Чтобы понять, как сверхпроводимость помогает ловить свет, нужно представить тончайшую дорожку (нанопроволоку) из особого материала — например, нитрида ниобия (\(NbN\)). Её толщина составляет всего несколько нанометров, что в тысячи раз тоньше человеческого волоса.

Устройство погружают в криостат и охлаждают почти до абсолютного нуля (примерно до \(-271\ ^\circ\text{C}\)). При этой температуре материал переходит в состояние сверхпроводимости — его электрическое сопротивление падает до абсолютного нуля. Через нанопроволоку пускают ток, который течет без какого-либо сопротивления. Этот ток подбирается так, чтобы он был чуть меньше критического значения, при котором сверхпроводимость разрушается. Система находится в состоянии «взведенного курка».

Происходит следующее:

1. Попадание: Одиночный фотон прилетает из оптического волокна и ударяет в нанопроволоку.
2. Взрыв («Хот-спот»): Энергия фотона мгновенно разрушает сверхпроводимость в точке удара. Кванты света разбивают так называемые куперовские пары электронов, и возникает крошечный участок с обычным, высоким сопротивлением (горячее пятно или hot-spot).
3. Эффект домино: Току становится «тесно» в оставшихся сверхпроводящих краях нанопроволоки. Он превышает критический порог, и вся полоска в этом месте на мгновение перестает быть сверхпроводником.
4. Сигнал: На концах проволоки резко возникает всплеск напряжения. Электроника регистрирует «клик» — фотон пойман!
5. Перезагрузка: Энергия рассеивается, тепло уходит, и за доли наносекунды проволока снова остывает, возвращаясь в сверхпроводящее состояние для охоты за следующим фотоном.
6. Зачем это нужно? Без таких детекторов невозможно построить абсолютно защищенный квантовый интернет (системы квантового распределения ключей), создать оптический квантовый компьютер или проводить высокоточную диагностику в медицине и космологии.

А что в России? Родина технологии

Когда в зарубежных научных статьях пишут про детекторы SSPD, в сносках авторов почти всегда упоминаются российские корни. Дело в том, что первая в мире успешная демонстрация сверхпроводникового однофотонного детектора состоялась в 2001 году в стенах Московского педагогического государственного университета (МПГУ) под руководством профессора Григория Гольцмана.

Российские физики не просто первыми предложили этот концепт, но и смогли превратить сугубо лабораторный эксперимент в успешный международный высокотехнологичный бизнес.

Лидеры отрасли и коммерческий успех

• SCONTEL (Сконтел): Компания, созданная учеными из МПГУ. Сегодня это один из признанных мировых лидеров по производству систем регистрации одиночных фотонов. Их установки закупают ведущие научные центры, университеты и квантовые лаборатории по всему миру (от Европы до Азии). Детекторы SCONTEL обладают уникальными характеристиками: системная квантовая эффективность превышает 90-95% (то есть они улавливают почти каждый прилетевший фотон), а частота «ложных» темновых срабатываний стремится к нулю.
• Консорциумы вузов (НИТУ МИСИС, МПГУ, ВШЭ, РКЦ): В России успешно создаются детекторы нового поколения на базе аморфных сверхпроводников (например, силицида вольфрама \(WSi\) или соединений молибдена). Одной из недавних ярких прикладных разработок в рамках проекта «Квантовый интернет» стал детектор, показавший рекордную эффективность регистрации до 98% в ближнем ИК-диапазоне, причем работающий при относительно более высоких температурах для данного класса устройств. Это существенно удешевляет и упрощает криогенные системы охлаждения.
• Квантовые магистрали РЖД и Политеха: В рамках реализации национальной дорожной карты по квантовым коммуникациям российские институты (включая СПбПУ) активно тестируют и внедряют отечественные однофотонные детекторы в реальные линии связи. Это позволяет обеспечивать шифрованную квантовую связь на расстояниях более 100 километров между городами России.

Главные вызовы и вектор развития

Несмотря на историческое лидерство в технологиях детектирования, перед российскими учеными стоят новые масштабные задачи:

1. Различение числа фотонов (PNR): Классический SSPD-детектор работает по принципу «да/нет» (прилетел свет или нет). Но для продвинутых квантовых вычислений нужно точно знать, сколько именно фотонов было в импульсе — один, два или три. Сейчас в МГУ и МПГУ активно разрабатываются многоэлементные (матричные) сверхпроводниковые детекторы, способные решать эту задачу.
2. Интеграция на чипе: Будущее за миниатюризацией. Ученые стремятся разместить и источник света, и квантовые оптические каналы, и сами сверхпроводниковые детекторы на одном кремниевом или фотонном микрочипе. Это позволит уйти от громоздких оптических столов к компактным квантовым процессорам.
3. Импортонезависимость криогеники: Сами детекторы в России делать умеют превосходно, но они требуют экстремального охлаждения. Развитие отечественного производства замкнутых криостатов (криорефрижераторов), способных поддерживать температуру около 2 Кельвинов без жидкого гелия, — важнейший шаг для достижения полного технологического суверенитета в квантовой сфере.

Что в итоге?

Сверхпроводниковые детекторы одиночных фотонов — это яркий пример того, как фундаментальная российская наука смогла не просто дойти до стадии коммерческого продукта, но и занять прочные позиции на острие мировой технологической гонки. Охота за квантами света продолжается, и главные инструменты в этой индустрии создаются в российских лабораториях.

Как именно квантовый интернет в России использует эти детекторы для защиты данных?

Квантовый интернет защищает данные не так, как обычный. По нему передаются не сами файлы (документы, видео или пароли), а криптографические ключи для их шифрования. Сами же зашифрованные данные могут лететь по обычным, стандартным каналам связи.

Этот процесс называется квантовым распределением ключей (КРК). Детекторы одиночных фотонов выполняют в этой схеме роль абсолютных стражей безопасности. 

Магистральная квантовая сеть России (которую развивает холдинг РЖД и которая на сегодняшний день связывает крупнейшие города-миллионники, достигая в длину 7,8 тысяч километров) использует эти детекторы для реализации законов квантовой физики на практике.

Шаг 1. Кодирование информации в свет

Когда банку, госструктуре или РЖД нужно передать секретные данные, специальный лазерный передатчик (с одной стороны линии связи) отправляет в оптическое волокно импульсы света, ослабленные до уровня одиночных фотонов. В каждый фотон кодируется бит информации (0 или 1) — например, через направление его поляризации или фазу. 

Шаг 2. Охота на фотоны на другом конце

На приемной станции фотон должен быть гарантированно пойман. Обычные кремниевые датчики его просто не заметят, но сверхпроводниковые (или лавинные) детекторы одиночных фотонов улавливают этот единственный квант света с точностью до 95-98%. Детектор преобразует попадание фотона в электрический «клик». Из последовательности таких пойманных фотонов на приемном и передающем узлах формируется абсолютно случайный, идентичный секретный ключ. 

Шаг 3. Физическая защита от шпионажа (Квантовый закон)

Вот здесь детекторы одиночных фотонов и выполняют свою главную защитную функцию. Согласно законам квантовой механики, одиночный фотон невозможно скопировать или измерить, не изменив его состояния. 

Если злоумышленник попытается подключиться к оптоволокну и «подслушать» ключ, произойдет следующее:

• Разрушение состояния: Шпион неизбежно изменит квантовое состояние фотона или поглотит его. 
• Фиксация детекторами: На приемном конце детекторы одиночных фотонов зарегистрируют критический рост ошибок или пропажу фотонов. Приборы моментально поймут: на линии чужой! 
• Блокировка: Система автоматически отбракует этот ключ и переключится на чистый канал, а шпион останется ни с чем — он получит лишь испорченный набор квантового шума.

Как это устроено в России прямо сейчас?

Российский квантовый интернет вышел из лабораторий и работает в реальной инфраструктуре 24/7: 

• Отечественное шифрование: На всей протяженности сети РЖД используется оборудование КРК, сертифицированное ФСБ России. Разработкой таких систем и интеграцией детекторов занимаются ведущие компании и центры — например, QRate (Курэйт) (спин-офф Российского квантового центра в Сколково) и компания Кванттелеком (ИТМО). 
• Гибридный подход: Российские инженеры используют детекторы двух типов. На огромных магистральных дистанциях (между городами) применяются сложнейшие сверхпроводниковые детекторы (как у компании Сконтел), требующие охлаждения жидким гелием. А для «последней мили» в городских условиях (например, между офисами Сбера или РЖД в Москве) применяются более компактные лавинные фотодиоды, которые охлаждаются обычными электронными элементами Пельтье. Они чуть менее чувствительны, но гораздо проще и дешевле в обслуживании. 

Благодаря детекторам одиночных фотонов, квантовый интернет обеспечивает так называемую абсолютную (доказуемую) безопасность. Её невозможно взломать даже с помощью суперкомпьютеров или перспективных квантовых процессоров, потому что защита базируется не на сложности математических алгоритмов, а на фундаментальных законах физики Вселенной.

Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/