Развитие фотонных квантовых технологий в России: от фундаментальных исследований до рыночного внедрения

На пленарном заседании форума «Микроэлектроника 2025» представили прорывные отечественные фотонные квантовые технологии, которые находятся на передовом крае мировой науки.

На фоне множества новых технологий, имена которых будоражат умы современников, особое место занимают фотонные квантовые технологии. Отчасти причина кроется в красивом и таинственном созвучии слов, что питает футуристические представления о будущем, отчасти – в сложности объяснения физики явлений. Но главный новостной хайп связан со стремительным выходом фотонных квантовых изделий на промышленный рынок.

Метеоустойчивая связь, беспилотный транспорт, навигация и лидары для обнаружения слабоотражающих целей, спутниковая лазерная дальнометрия – с одной стороны это области науки и техники, с другой – рыночные ниши. Что важнее? Где мы имеем стратегическое преимущество? Где мы лидеры?

Главная мысль, определившая выбор докладов для пленарной сессии «Фотонные квантовые технологии», была отмечена одной фразой, произнесённой модератором: «Вам представлен передний край науки в мировом масштабе». При этом подчеркнём, что часть продемонстрированных разработок российских учёных, выполненных в Российской Федерации, уже вышла на рынок, часть – готовится к выходу.

Четыре докладчика на пленарной сессии представили разработки, которые являются инновационными. Причины их возникновения и вывода на промышленный рынок отвечают разным моделям: сверхпроводящие однофотонные детекторы SSPD и фотонные интегральные схемы для задач аналоговой обработки изображений и нейроморфных оптических вычислений на языке инноваций соответствуют push-модели, а детерминированные источники квантового света на квантовых точках и детекторы ИК-диапазона на основе квантовых коллоидных точек – pull-модели.

Фотоника стала ключевой отраслью для становления технологического суверенитета. Работы по разработке сверхпроводящих однофотонных детекторов SSPD возникли около 20 лет назад, инициируемые д.ф.-м.н. Гольцманом Григорием Наумовичем (МГПИ, Москва). SSPD были разработаны, исследованы и впервые выведены на рынок в Российской Федерации. Группа занялась и созданием рынка этих изделий. Сегодня в мире появилось около десяти компаний, повторивших эту технологию. Но пока на азиатском рынке SSPD-приборов российский лидер удерживает свои позиции. Доклад «Сверхпроводниковые однофотонные детекторы – российская технология на глобальном рынке однофотонных детекторов» был посвящён анализу обсуждаемого рынка, где присутствуют три вида приборов: фотоэлектронные умножители (технология насчитывает около 100 лет); полупроводниковые лавинные фотодиоды SPAD (технология появилась 50 лет назад) и сверхпроводящие однофотонные детекторы SSPD (возникла около 20 лет назад).

Отметим скорость, с которой происходит распространение технологий. Иногда возникшие ограничения отправляют технологии в тупик. Но путь развития техники извилист. Так ограничения, возникшие в 80-е годы в плазмонике при исследовании свойств метаповерхностей, оказались преодолимы при замене металла на полупроводники.

Федянин Андрей Анатольевич, член-корр. РАН (МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва) в докладе «Фотонные интегральные схемы для задач аналоговой обработки изображений и нейроморфных оптических вычислений» показал, как в его группе создаются приборы на основе явлений диэлектрической нанофотоники. Разработчики нашли свой путь развития фотонных квантовых приборов в направлении создания активных переключаемых элементов метаповерхностей со скоростями порядка десятых долей пикосекунд.

Сферы некоторых рынков пересекаются, так рынки источников одиночных фотонов и рынки однофотонных детекторов общие – тем, кто использует приемники, тем, конечно, нужны и источники. Созданные в Российской Федерации источники одиночных фотонов по ряду параметров превосходят современные зарубежные аналоги. Посыл для развития этой технологии возник из-за интереса научного сообщества к вопросам квантового распределения ключей и квантовым вычислениям. О физических основах технологии создания полупроводниковых детерминированных источников квантового света на квантовых точках рассказал в докладе «Полупроводниковые детерминированные источники квантового света на квантовых точках» Алексей Акимович Торопов, д.ф.-м.н. (ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург). Он кратко описал некоторые технологические приёмы изготовления приборов, например, с помощью создания микрорезонаторов для усиления и направленного вывода излучения одиночной квантовой точки или использования метаморфного буфера.

К выходу на рынок готовят технологию серийного производства передовых изделий на основе квантовых коллоидных точек в НПО «Орион». Работа выполнена совместно с МФТИ. Об этом говорил в своём докладе «Новое поколение детекторов ИК-диапазона на основе квантовых коллоидных точек» д.т.н. Сергей Викторович Попов (НПО «Орион»). Конструирование фотоприёмных устройств, работающих в области ИК-диапазона, требует применения не традиционных кремниевых, а иных материалов, которые обеспечат мультиспектральный характер работы приборов. Направление использования технологии нового поколения производства монолитных ФПУ на основе коллоидных квантовых точек, не нуждающихся в охлаждении, разработано в Российской Федерации.

Когда вокруг слишком много одинаковых идей, на их фоне наглядно и выпукло выделяются оригинальные разработки, выступающие на лидерских позициях. Всех докладчиков отличало желание не скрывать свои знания, а поделиться ими с участниками сессии. Когда закончилось время, отведённое на дискуссию, остались спорные вопросы, например, о том, что делать с налаженной технологией изготовления болометров, работающих совместно с системами охлаждения, в условиях внедрения технологии нового поколения производства монолитных ФПУ на основе коллоидных квантовых точек.

Организаторами форума «Микроэлектроника 2025» выступают АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Генеральные партнёры – ПАО «Сбербанк», НИЦ «Курчатовский институт», Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Фонд перспективных исследований (ФПИ). Стратегический партнёр – Группа компаний «Элемент». Официальный партнёр – ОАО «РЖД». Инновационные партнёры – Холдинг «Швабе», ООО «Лазерный Центр», Многопрофильный ИТ-Холдинг «Национальная компьютерная корпорация», ООО «Т8», АО «Крафтвэй корпорэйшн ПЛС». Стратегический информационный партнёр – Генеральное информационное агентство «ТАСС». Образовательный партнёр – Университет «Сириус». Спортивный партнёр – НИУ МИЭТ. Партнёры – ООО «ХайТэк», ООО «НМ-Тех», АО «Корпорация Роботов»,Т1 Интеграция, АО НИИТМ, АО «Концерн ВКО «Алмаз – Антей», АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», НИЯУ МИФИ, АО «Сигналтек», АО «Нанотроника», Российский научный фонд, АО «НПЦ «РПК», Группа компаний Остек, Консорциум робототехники и систем интеллектуального управления, ООО «ФОРМ». Генеральный информационный партнёр – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА». Оператор Форума – Агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции».