Ученые представили уникальные разработки в области фотоники.
Фотонику сегодня называют одной из самых перспективных технологий XXI века - там, где электроника приближается к своим физическим пределам, на смену приходят решения на основе света. И, как убедительно показали выступления ученых на форуме «Микроэнергетика», Россия в этом направлении имеет серьезные заделы. Ведущие российские исследователи представили прорывные разработки в области фотоники и квантовых технологий. Три ключевых доклада наглядно продемонстрировали, как РФ не только сохраняет лидерство в традиционных направлениях, но и открывает совершенно новые пути развития вычислительных систем.
Российские детекторы
На пленарном заседании по микроэлектронике член научного совета Российской академии наук «Квантовые технологии» Григорий Гольцман презентовал уникальную российскую разработку - сверхпроводниковые однофотонные детекторы.
История детектирования одиночных фотонов насчитывает три эпохи: сто лет назад появились первые фотоэлектронные умножители, 50 лет назад - полупроводниковые детекторы, и, наконец, 20 лет назад мир увидел российские сверхпроводниковые детекторы.
– Такой же тренд, как в электронике: переход от ламп к полупроводниковым приборам, затем к микросхемам, - провел параллель Г.Гольцман.
Что же делает этот детектор прорывной разработкой? Устройство обладает почти стопроцентной эффективностью (как объяснил ученый, каждый падающий фотон дает «клик») и практически нулевым уровнем шумов, работая в диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного излучения.
Единственный недостаток - необходимость охлаждения, однако покупка уже четырех детекторов оказывается выгоднее приобретения полупроводниковых аналогов.
Любопытно, что сначала технология не нашла спроса в России, - первые покупатели были из США, Европы и Японии. Сегодня российская компания «Сконтел» подтверждает мировой интерес к разработке, хотя и сталкивается с санкционными ограничениями при сбыте продукции за рубеж.
Ключ к успеху, по словам Г.Гольцмана, в уникальном материале. Ученые нашли нестандартное решение, использовав неупорядоченную наноструктуру, что позволило добиться рекордных характеристик. Сейчас технология развивается в сторону миниатюризации - от отдельных детекторов к сотням на одном чипе, открывая путь к созданию квантовых компьютеров.
Несмотря на жесткую конкуренцию с международными гигантами, у России есть все шансы сохранить лидерство в этой перспективной области, уверен ученый.
В погоне за идеальным фотоном
Если сверхпроводниковые детекторы стали «глазами» для квантовых систем, то источники одиночных фотонов, о которых рассказал главный научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук Алексей Торопов, - это их искусственные «голоса». Проще говоря, если «глаза» детекторов видят и считают каждый пришедший фотон, то «голоса» создают и отправляют эти фотоны в путь. Это две неразрывные части одного целого: для работы квантовой связи или квантового компьютера нужен кто-то, кто передает информацию (источник-«голос»), и кто-то, кто ее принимает (детектор-«глаз»). Создание такого идеального «голоса» - устройства, которое по команде испускает ровно одну частицу света, - это огромный шаг к созданию полноценных квантовых компьютеров и абсолютно защищенной связи.
Но как заставить искусственную структуру «заговорить» на таком безупречном квантовом языке? На практике эта задача оказывается колоссально сложной. В идеале источник должен выдавать фотон по первому требованию, но в реальности даже лучшие мировые образцы сегодня выдают менее пяти фотонов на сто импульсов. Основная проблема в том, что квантовые точки - крошечные полупроводниковые структуры, которые и должны излучать эти фотоны, - по своей природе очень «тихие» и неэффективные.
Российские исследователи нашли оригинальное решение, поместив квантовые точки в оптические микрорезонаторы.
– Микрорезонатор - абсолютно необходимая вещь, - подчеркнул А.Торопов. - Квантовая точка - слишком слабый излучатель, и нужно заставить свет взаимодействовать с ней многократно.
Особой гордостью ученых стало создание источника на телекоммуникационной длине волны 1,55 микрона, критически важной для передачи данных по оптоволокну. Российская разработка не только решила эту сложнейшую задачу, но и продемонстрировала яркость, более чем вдвое превышающую предыдущий мировой рекорд.
Хотя рынок таких источников пока ограничен научными исследованиями, ученый проводит параллель с историей лазера, который тоже начинался как « прибор для экспериментов». Дальнейшая оптимизация может поднять эффективность до 25-30%, что откроет путь к практическим системам квантовой связи будущего.
Свет вместо тока
Выступление члена-корреспондента РАН Андрея Федянина открыло слушателям удивительный мир, где вычисления происходят со скоростью света. Ученый представил революционное направление - оптические процессоры.
Речь идет о принципиально новом подходе к вычислениям, где информацию переносит не электрический ток, а световые импульсы. В мире нанофотоники, где размеры элементов сравнимы с длиной волны света, открываются уникальные возможности. Здесь создаются метаповерхности - искусственные структуры из наноантенн, способные управлять светом с невиданной точностью.
Ученый привел поразительный пример: цепочка из трех метаповерхностей может мгновенно решать сложные математические задачи, которые обычным компьютерам даются с большим трудом.
– Для электронных вычислителей это тяжелая операция. Для оптических - мгновенная, - подчеркнул А.Федянин.
Особый интерес вызвала разработка оптического «мозга» - вычислительной системы, работающей по тем же принципам, что и мозг человека. Исследователи создали оптический синапс, где роль нервных импульсов выполняют лазерные вспышки. Уже существует работающий макет такого нейроморфного вычислителя, способного к обучению.
Не менее перспективны оптические сопроцессоры для искусственного интеллекта, обладающие возможностями с огромной скоростью и минимальными энергозатратами выполнять сложнейшие операции. По словам ученого, развитие этого направления - стратегически важная задача, открывающая путь в эру световых вычислений.
Российские исследования в области фотоники уже сегодня переходят из области фундаментальной науки в практическую плоскость. Как отметили ученые, несмотря на существующие вызовы и международную конкуренцию, у России есть все необходимое для достижения поставленных властями целей в этих стратегически важных областях. И если сегодня некоторые разработки кажутся футуристическими, то уже в обозримом будущем они могут стать основой для нового технологического уклада, где информация будет обрабатываться не электронами, а квантами света.
Наталия БУЛГАКОВА
Обложка: фото предоставлено пресс-службой Российского форума «Микроэлектроника-2025»
