Детекторы одиночных фотонов
Сверхпроводниковый детектор одиночных фотонов это сверхтонкая нить, охлаждённая почти до абсолютного нуля и пропускающая через себя электрический ток у самой границы сверхпроводимости. Толщина нити - около пяти нанометров, ширина - порядка ста, а уложена она так, чтобы покрыть как можно большую площадь. Изготавливают её чаще всего из нитрид-ниобиевой плёнки, реже из соединений на основе вольфрама или молибдена.
Пока через нить идёт ток ниже критического значения, материал остаётся сверхпроводящим и не оказывает сопротивления. При попадании кванта света происходит локальное разрушение сверхпроводимости и устройство выдаёт измеримый электрический импульс. После этого нить остывает за доли наносекунды и вновь готова к приёму. Такой детектор способен фиксировать даже отдельные фотоны света.
Важно отметить, что первые работающие образцы были созданы в России в начале 2000 годов. Современные, лучшие детекторы регистрируют свет с эффективностью выше 98 процентов, дают временное разрешение до нескольких пикосекунд и почти не выдают ложных срабатываний.
Главная область применения - квантовое распределение ключей, основа защищённой передачи данных. Здесь информация кодируется в состояниях одиночных фотонов, а незаметно измерить квантовое состояние – невозможно в силу физических законов. Любая попытка вмешательства искажает сигнал. Чтобы такая схема работала на больших расстояниях и высоких скоростях, нужен приёмник, способный надёжно различать единичные кванты в потоке шума. Сверхпроводниковые детекторы решают эту задачу.
Второе направление - фотонные квантовые вычисления. В отличие от процессоров на сверхпроводящих кубитах, фотонная архитектура переносит информацию частицами света, и считывание результата сводится к точному подсчёту фотонов на выходе оптической схемы.
Третья область это оптическая связь дальнего космоса. Эксперименты подтвердили работоспособность таких решений: успешно проведена передача данных на расстоянии дальше орбиты Марса. При этом скорость составила десятки мегабит в секунду - на порядки выше того, что дают традиционные радиоканалы. С учетом стратегических перспектив, связанных с освоением космоса, это очень важный результат.
Синергия с перспективными и быстрорастущими отраслями цифровой экономики – главный фактор роста для рынка сверхпроводящих однофотонных детекторов. Важный тренд развития это - движение от одиночных элементов к крупным матрицам. Космическая связь и астрономия уже требуют массивов из сотен и тысяч пикселей. Кроме того, активно востребована технология, позволяющая различать количество пришедших фотонов, отличать один квант от двух или трех. Это критично для фотонных вычислений. Другие направления инновационных разработок - интеграция детекторов в оптические чипы и освоение инфракрасного диапазона, востребованного в спектроскопии и астрономии.
Рынок сверхпроводниковых детекторов одиночных фотонов пока невелик, но в перспективе может стать критически важной технологией, обеспечивающий возможность развития важных, инновационных сегментов цифровой экономики, таких как защищенная квантовая связь и высокоскоростная передача данных на космические расстояния.
