В РАН состоялся научный совет «Квантовые технологии» по теме «Квантовые сенсоры»

В РАН состоялся научный совет «Квантовые технологии» по теме «Квантовые сенсоры»

02.04.2021
1 апреля в Российской академии наук очно и в формате видеоконференцсвязи состоялось заседание Научного совета при президиуме РАН «Квантовые технологии» по теме ««Квантовые сенсоры». Заседание провел председатель Научного совета академик-секретарь Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, академик РАН Г.Я. Красников. В заседании приняло участие 42 члена Бюро Совета и членов Совета, а также 136 приглашенных ученых и специалистов – всего из 92 организаций и их подразделений. В обсуждении повестки дня участвовало 30 человек.

Во вступительном слове председатель Совета, академик РАН Г.Я. Красников пригласил к рассмотрению третьей дорожной карты – «Квантовые сенсоры» на текущем и следующем заседании Совета. Технологии квантовых сенсоров пересекаются и дополняют рассмотренные на предыдущих заседаниях Совета технологии квантовых вычислителей (холодные атомы, ионы) и технологии квантовых коммуникаций (генераторы случайных чисел, однофотонные детекторы и излучатели).

RD8B7931.jpg

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 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. Необходимо привлечение Минобороны России, Минпромторга России, Минобрнауки России, Минздрава России Росстандарта, Госкорпорации «Роскосмос» с целью координации и форсирования планируемых НИОКР в области квантовой сенсорики.

RD8B7953.jpg

С докладами на Совете выступили:

• член-корр. РАН Колачевский Николай Николаевич (ФИАН). Квантовые сенсоры в задачах навигации, метрологии и измерениях физических полей.
• д.т.н. Блинов Игорь Юрьевич, д.ф.-м.н. Пальчиков Виталий Геннадьевич (ФГУП «ВНИИФТРИ»). Квантовые сенсоры на основе эффекта когерентного пленения населенностей.
• к.ф.-м.н. Гончаров Андрей Николаевич (ИЛФ СО РАН). Прецизионные квантовые сенсоры инерциальных сил на основе интерференции атомов и высокочувствительные квантовые магнитометры: состояние и перспективы исследований в ИЛФ СО РАН.
• д.ф.-м.н. Гольцман Григорий Наумович (МПГУ, МИЭМ НИУ ВШЭ). Однофотонный детектор на токонесущей сверхпроводящей нанопроволоке - ключевой элемент квантового вычислителя на фотонах, схем квантовых коммуникаций и квантовых сенсоров.
• член-корр. РАН Рябцев Игорь Ильич (ИФП СО РАН). Детекторы одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов с гетероструктурами InGaAs/InP для оптоволоконных квантовых коммуникаций в диапазоне длин волн 1,3-1,6 мкм.
• к.ф.-м.н. Антонов Владимир Николаевич (Сколтех, Колледж Роял Холлоуэй Лондонского университета (Великобритания)). Высокочувствительные детекторы терагерцового диапазона.
• д.ф.-м.н. Балыкин Виктор Иванович (ИСАН, НИУ ВШЭ). Квантовые сенсоры на основе ультрахолодных атомов.
• член-корреспондент РАН, PhD Турлапов Андрей Вадимович (ИПФ РАН, РКЦ). Первичный квантовый вакуумметр.
• д.ф.-м.н. Молотков Сергей Николаевич (ИФТТ РАН, Академия криптографии Российской Федерации, Центр квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова), д.т.н. Букашкин Сергей Анатольевич (АО «Концерн «Автоматика», Академия криптографии Российской Федерации). Об экстракции квантовой случайности: примеры доказуемой реализации.
• д.ф.-м.н. Кулик Сергей Павлович (Центр квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова). Квантовая метрология: абсолютная квантовая фотометрия.
• к.ф.-м.н. Карачинский Леонид Яковлевич (ООО «Коннектор Оптикс», ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Университет ИТМО). Гетероструктуры для источников и детекторов одиночных фотонов телекоммуникационного спектрального диапазона.
• к.ф.-м.н. Анисимов Андрей Николаевич, д.ф.-м.н. Баранов Павел Георгиевич (ФТИ им. А.Ф. Иоффе). Квантовые сенсоры на основе карбида кремния.
Докладчики представили достижения своих организаций по теме заседания.
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.

RD8B7964.jpg

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.

В заключительном слове Председателя Совета, академик РАН Г.Я. Красников поблагодарил авторов за высокий научный уровень докладов и выразил уверенность в интеграции усилий в части развития квантовых сенсоров между организациями, представленными членами Совета, приглашенными учеными и специалистами.







Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/niimeru/niime.ru/docs/local/templates/niime/footer.php:18) in /home/niimeru/niime.ru/docs/bitrix/modules/main/lib/httpresponse.php on line 225