Версия для печати

Квантовые сенсоры: достижения и перспективы развития

Председатель Научного совета при президиуме РАН «Квантовые технологии», академик-секретарь Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, академик РАН Геннадий Красников подвел итоги заседания Совета по теме «Квантовые сенсоры».

Квантовые сенсоры обладают более высокой чувствительностью по отношению к классическим благодаря свойствам квантовых систем – в том числе суперпозиции и перепутанности. В России представлены перспективные направления: оптические атомные часы, гравиметры и акселерометры на атомах рубидия, гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле, а также локальные сенсоры электрического и магнитного полей и температуры на центрах окраски. В настоящее время ведется разработка третьей дорожной карты – «Квантовые сенсоры».

В дорожной карте сенсоры сгруппированы в три группы: (1) часы, гравиметры, градиометры, (2) сенсоры электрического и магнитного поля, (3) сенсоры для квантовой метрологии. Значительные успехи достигнуты в области миниатюрных, малогабаритных и оптических стандартов частоты, к 2024 г. планируется по оптическим часам выход на TRL8, к 2030 г. – реализация навигационных систем с разрешением в см-диапазоне и внедрение систем прецизионной синхронизации потоков данных. Обсуждаются вопросы формирования карт гравитационного потенциала для навигации. Сравнимы с мировым уровнем развития направления гироскопов на ансамблях спинов в твердом теле и спектрографов с использованием двойной оптической гребенки. В настоящее время институтами РАН и другими научными и образовательными организациями активно ведется работа в части развития технологий квантовых сенсоров.

Во ФГУП «ВНИИФТРИ» создан сверхминиатюрный квантовый сенсор на основе атомного стандарта частоты на КПН-эффекте с характеристиками, сопоставимыми и превышающими параметры лучших мировых аналогов. Разработаны технология производства ячеек MEMS и отечественный лазер с вертикальным резонатором (ЛВР) на длине волны излучения 795 нм (лазер создан в ИФП СО РАН). Разработана соответствующая документация, проведены проверки и 25 испытаний. Дальнейшее развитие – снижение параметров нестабильности. Проблемы – нестабильность параметров ЛВР, выпускаемых ИФП СО РАН, отсутствие отечественных комплектующих и серийно выпускаемой ЭКБ для квантовых сенсоров.

В ИЛФ СО РАН в Лаборатории квантовых сенсоров ведутся экспериментальные и теоретические исследования, направленные на создание высокочувствительных квантовых сенсоров инерциальных сил (гравиметров, акселерометров и гироскопов) на основе интерференции ультрахолодных атомов рубидия. Выполнен ряд теоретических и экспериментальных работ по атомным магнитометрам с оптической накачкой в сотрудничестве с National Institute of Standards and Technology (США), Institute of Electronics (Болгария), ФИАН, ведутся экспериментальные и теоретические исследования с целью создания компактных магнитометров (скалярных и векторных) на основе резонансов пересечения уровней в новой магнитооптической конфигурации.

В МПГУ в 2001 г. впервые предложена идея и экспериментальная реализация детектирования ИК фотонов сверхпроводящей нанопроволокой, затем была разработана технология изготовления нанопровода на основе ультратонкой сверхпроводящей плёнки. ЗАО «Сконтел» выпускает и реализует многоканальные однофотонные приемные системы на этой основе, ведет работы по получению изображений фосфоресценции синглетного кислорода с помощью однофотонного детектора, имеющей применение в медицине. МПГУ разрабатывает приборы в квантовых оптических интегральных схемах, источники одиночных фотонов на чипе, детекторы на чипе для реализации квантовых фотонных интегральных схем. Создана квантово-оптическая интегральная схема с использованием планарных волноводов и SSPD для генерации запутанных фотонов, фильтрации и детектирования одиночных фотонов. Проводятся работы в области электрически управляемого источника фотонов на основе углеродной нанотрубки на чипе, однофотонных источников света на базе азотных вакансий в наноалмазе. В НИТУ «МИСиС» научной группой из МПГУ ведется ОКР по созданию охлаждаемой однофотонной видеокамеры с диапазоном чувствительности 0,4 – 2,0 мкм (срок 2019-2023 гг., стоимость 500 млн. руб.).

В ИФП СО РАН 5 лет назад начата разработка детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов с гетероструктурами InGaAs/InP для оптоволоконных квантовых коммуникаций в диапазоне длин волн 1,3-1,6 мкм. В конструкции используется прямая засветка области поглощения. Разработана оригинальная запатентованная технология легирования цинком в узкой щели, решена проблема воспроизводимого получения глубины залегания фронта легирования и сохранения морфологии поверхности. Характеристики темнового тока в полученных образцах не уступают зарубежным аналогам. При финансовой поддержке ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова ведутся работы с новыми структурами и обновленной конструкцией, проводятся испытания с глубоким охлаждением и в гейгеровском режиме, разработана цифровая схема для характеризации лавинных фотодиодов в гейгеровском режиме. Для быстрого внедрения требуется дополнительное финансирование.

Сколтех совместно с Токийским Университетом (Япония), технологической группой Колледжа Роял Холлоуэй Лондонского университета (Великобритания), Национальной физической лабораторией Великобритании, NTT (Япония), Chalmers University (Швеция) разрабатывает прямые детекторы излучения в диапазоне 0,1 – 2-3 ТГц. В основе терагерцовых детекторов с усилением лежат гетероструктуры GaAs с двумерным электронным газом с последующим формированием канала и нанесением дипольной антенны. Образованная квантовая точка позволяет поглощать излучение на частотах 0,3 и 0,8 ТГц, при этом возможен подсчет поглощенных электронов и фотонов. Решена задача по сохранению спектральной чувствительности при повышении температуры.

Существующие виды квантовых сенсоров на ультрахолодных атомах – атомные часы, акселерометры и гироскопы. В ИСАН разрабатываются часы и гравиметр на основе первого в России атомного чипа. Создана магнитооптическая ловушка, ведутся работы с атомами рубидия. В ИСАН реализуется пятилетняя программа по созданию квантовых сенсоров на атомном чипе: холодные атомы транспортируются в камеру с ультравысоким вакуумом, происходит локализация атомов на чипе, выполняются измерения с помощью атомной интерферометрии.

В ИПФ РАН в 2016 г. достигнуты результаты измерений давления с помощью первичного квантового вакуумметра – 10-6 … 10-9 Па, имеется перспектива перехода к давлению 10-5 и выше. Рабочее тело первичного квантового вакуумметра – ультрахолодный газ атомов, удерживаемый в фокусе лазерного луча, который позволяет измерять уровень вакуума в окружающем газе. В решении используется зануление всех каналов потерь, за исключением процесса взаимодействия с остаточным газом вакуума. Хотя метод обладает локальностью, нечувствительностью к электрическим и магнитным полям, меньшей ошибкой при неизвестном составе газа и отсутствием ошибок вследствие старения электродов во время измерения, ему присущи большое время измерения (300 с при 10-9 Па) и необходимость оптического доступа.

В Академии криптографии Российской Федерации, АО «Концерн «Автоматика», ИФТТ РАН, ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова, ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова ведутся теоретические работы в области происхождения, физической реализации и статистического тестирования случайности для квантовых генераторов случайных чисел. Главное отличие таких систем от классических – принципиальная непредсказуемость результата наблюдения при одних и тех же начальных условиях и эволюции. Различают генераторы с дискретной переменной, подсчитывающие отдельные фотоны на основе фотоэффекта, и генераторы с непрерывными квадратурами поля, вычисляемых через разность токов детекторов. Работа ведется для дискретного случая, цель – получить распределение из нулей и единиц. Пока нерешенной задачей является обеспечение независимости фотоотсчета без потери скорости работы детектора – экстрактора случайной величины.

ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова в рамках направления квантовой метрологии дорожной карты по квантовым сенсорам разработаны физические основы и построены прототипы устройств «абсолютной квантовой фотометрии»: квантовый радиометр для измерения спектральной яркости источников излучения и безэталонный измеритель квантовой эффективности детекторов. Экспериментально исследованы три режима генерации пар фотонов и установлено, что интерференция нулевых флуктуаций вакуума, считавшаяся паразитным эффектом при параметрическом рассеянии, может применяться в технике трехфотонной интерферометрии.

ООО «Коннектор Оптикс», ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Университетом ИТМО, АО «ОКБ Планета» ведутся работы в двух направлениях. Первое – разработка детектора одиночных фотонов на базе отечественного лавинного фотодиода для квантовых каналов связи систем квантовой коммуникации – с характеристиками не хуже, чем у ID Qube (ID Quantique, Швейцария), лавинный фотодиод – на уровне Wooriro Co Ltd (Южная Корея). Изготовлены кристаллы детекторов одиночных фотонов первого поколения. Второе направление – разработка истинных источников одиночных фотонов телекоммуникационного диапазона с неклассической статистикой излучения на основе изолированной квантовой системы – квантовых точек InAs. Изготовлены гетероструктуры для источников одиночных фотонов диапазона 1,3 мкм, при этом поверхностная плотность квантовых точек InAs составила порядка (1,5–2)•109 см-2. Проводимые исследования опираются на накопленный за 10 лет конструктивно-технологический задел, в рамках которого выполнены НИР по разработке вертикально-излучающих лазеров и фотодиодов диапазона 0,85-1 мкм, обеспечивающих работу на частотах более 10 ГГц, в том числе созданы прототипы вертикально-излучающих лазеров на длину волны 895 нм (линия D1 Cs133), c характеристиками, соответствующими лучшим зарубежным аналогам, предназначенные для миниатюрных квантовых стандартов частоты и магнитометров. В настоящее время выполняются ОКР по разработке вертикально-излучающих лазеров и фотодиодов диапазона 1,3 – 1,55 мкм, обеспечивающих скорость передачи данных до 30 Гбит/с. Созданы квантово-каскадные лазеры, работающие в диапазоне длин волн 4 – 10 мкм, и демонстрирующие мощность излучения более 10 Вт при 300 К.

В ФТИ им. А.Ф. Иоффе решают фундаментальную проблему регистрации слабых магнитных полей с нм-разрешением при помощи 6H-SiC. Проводятся исследования различных центров SiC, необходимых для создания фотонных кристаллов и различных наноантенн и других наноустройств. Экспериментально исследованы сенсоры магнитного поля в средах, в которые непосредственное помещение сенсора невозможно. В 2019 г. запатентованы радиочастотные сенсоры магнитного поля. Созданы нанокристаллы карбида кремния заданного политипа, которые можно скомбинировать с конфокальной спектроскопией и зондовой микроскопией, в результате чего можно получить атомарное пространственное разрешение. Совместно с коллегами из Швейцарии и Германии проводятся работы по сравнению разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе типов сенсоров со спиновыми центрами SiC с уже имеющимися аналогами на алмазе, также ведётся разработка только оптических сенсоров на основе карбида кремния. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе ведется работа по обнаружению связи спиново-механических свойств карбида кремния, что позволит однозначно определить константу спин-деформационного взаимодействия. Планируется разработка эпитаксиальной технологии создания карбида кремния, затем – технологии гетероструктур и фотонных кристаллов на его основе.

ИФП СО РАН, ИГМ СО РАН и ИТ СО РАН проводят работы по сенсорам магнитного поля на ансамблях NV-центров, цель – увеличение их количества для повышения чувствительности. Получены следующие результаты: (1) синтетические алмазы с концентрацией NV центров >10 ppm, временем дефазировки спинов > 1 мкс применимы в квантовой метрологии при комнатных и повышенных температурах; (2) горячая имплантация N+ и НРНТ отжиг перспективны как для квантовых сенсоров, так и для однофотонных источников, и 3D кубитов в алмазе; (3) Газоструйное плазменное осаждение формирует алмазные покрытия с NV центрами на любых материалах и пригодно для создания квантовых магниточувствительных МЭМС. Разработка высокотемпературных квантовых сенсоров требует целевого финансирования.