Как Россия потратит 7,5 млрд руб. на развитие квантовых сенсоров08.04.2020 19:54

08.04.2020, Ср, 10:00, Мск , Текст: Игорь Королев

России нужно p7,5 млрд на развитие технологий квантовой сенсорики и метрологии. Данные технологии позволят создать датчики нового поколения, которые позволят измерять с высокой точностью интервалы времени и параметры механического движения. При этом пока российские разработки в данной области отстают от мировых.

Квантовые сенсоры и метрология

CNews продолжает публикации на основе дорожной карты развития квантовых технологий, подготовленной национальным исследовательским технологическим университетом МИСиС. Документ разделяет соответствующие технологии на три субтехнологии: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.

Субтехнология квантовых сенсоров и метрологии представляет из себя совокупность высокоточных измерительных приборов, основанных на квантовых эффектах. Высокая степень контроля над состоянием отдельных микроскопических систем позволяет создавать сверхточные квантовые сенсоры с пространственной разрешающей способностью, сравнимой с размером одиночных атомов, а также высокоточные атомные часы. Использование свойств суперпозиции, запутанности, сжатия квантовых состояний обеспечит в перспективе максимально возможную чувствительность измерения за счет преодоления стандартного квантового предела.

Высокая степень контроля над состояние отдельных микроскопических систем, обеспечиваемая квантовыми технологиями, позволяет создавать квантовые сенсоры с высокой чувствительностью. Развитие технологий разнообразных датчиков нового поколения может дать мощный импульс сразу в нескольких областях: оборона и безопасность, навигация (космос, беспилотный транспорт), строительство, нефтедобыча и геологоразведочные работы, медицинская диагностика/терапия, «индустрия 4.0».

Квантовые сенсоры на основе атомов (ионов, ядер) и конденсированных сред позволяют измерять с высокой точностью интервалы времени, параметры механического движения (перемещение, скорость, ускорение), электрические, магнитные и гравитационные поля. Принято выделять несколько групп квантовых сенсоров. Общие затраты на развитие данной субтехнологии в России в период до 2024 г. оцениваются в p7,5 млрд.

Квантовые часы

Квантовые часы — это прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов и молекул. Измерение времени и частоты является на сегодняшний день наиболее точным из всех методов метрологии, в связи с чем измерения многих величин сводятся к измерению времени. Так, например, расстояние определяется как время, за которое свет преодолевает измеряемое расстояние, умноженное на фундаментальную константу — скорость света.

Квантовые часы можно разделить на две большие группы: квантовые часы на основе нейтральных атомов и на основе ионов, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы в зависимости от выбора химического элемента, резонансный электронный переход которого используется. Каждый тип квантовых часов обладает своими преимуществами и недостатками. Основными характеристиками таких устройств являются стабильность и точность.

Стабильность описывает отклонения частоты от среднего значения и определяет необходимое время накопления и усреднения сигнала. Влияние систематических вкладов описывает точность квантовых часов. Кроме того, важной характеристикой, определяющей возможность широкого использования квантовых часов, является их транспортируемость, то есть физический размер, масса и устойчивость к возможным механическим воздействиям.

Атомные часы представляют собой прибор, выходным сигналом которого является частотный сигнал высокой точности. В качестве опорных значений, обеспечивающих точность выходного сигнала, в атомных часах используются собственные резонансы в атомах или ионах.

Благодаря полной идентичности атомов и ионов одного типа достигается полная воспроизводимость таких стандартов частоты: собственные частоты резонансов не меняются со временем и одинаковы для всех атомов и ионов одного вида. В зависимости от типа используемого резонанса можно выделить микроволновые атомные часы (частота резонанса лежит в микроволновом диапазоне) и оптические атомные часы (частоты резонанса лежит в оптическом диапазоне).

Радиочастотные стандарты частоты обладают высокими, но не максимальными, характеристиками точности и стабильности, при этом они достаточно компактны и надежны в работе. Атомные часы на основе цезиевого фонтана являются базой универсального времени, которая используется в коммерческих навигационных системах, таким как GPS и ГЛОНАСС, и различного рода часах и системах синхронизации.

Компаниями Symmetricom и Honeywell реализованы компактные варианты квантовых часов, которые, хотя и существенно уступают по точности лабораторным установкам, вполне достаточны для использования в военных системах навигации. Продажа таких микросхем на открытом рынке не осуществляется.

Разработки квантовые часов в мире

В России также имеются действующие атомные часы, входящие в систему GPS. Стоит отметить, что уровень точности 1E-16 является пределом для радиочастотных стандартов частоты, и дальнейшее повышение точности возможно только за счет перехода из радиочастотного диапазона в оптический диапазон.

Стандарты времени и частоты обеспечивают национальные метрологические институты, в которых располагаются первичные эталоны единицы времени (цезиевые фонтаны) и комплексы хранителей (рубидиевые фонтаны, водородные мазеры). Точность воспроизведения секунды согласно определению СИ на сегодняшний день достигла предела, ведется разработка реперов частоты на основе оптических переходов в ультрахолодных нейтральных атомах и одиночных ионах. Эти методы уже демонстрируют более чем стократное превосходство по точности и стабильности над традиционными методами. В связи с этим в ближайшее десятилетие следует ожидать переопределения секунды.

Гравиметры

Гравиметр — это прибор для определения величины ускорения свободного падения. Акселерометр — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения на ось чувствительности. Гироскоп — прибор для определения абсолютной угловой скорости вращения основания. В основе работы атомных гравиметров, акселерометров и гироскопов лежит технология, называемая атомной интерферометрией.

Атом, как массивная система, чувствителен к гравитационному полю и действию инерциальных сил. Благодаря этому при движении атомов в гравитационном поле или в системе отсчета, движущейся с ускорением, квантовое состояние атомов приобретает набег фазы, прямо пропорциональный ускорению свободного падения/ускорению системы отчета. Этот набег фазы можно определить интерферометрическими методами, что позволяет вычислить величину вызвавшей его силы.

Ключевые параметры классических гравиметров (с различной реализацией)

Спектр применения сенсоров магнитного поля обширен: задачи неразрушающего контроля и биомедицинские направления — магнитокардиография (МКТ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Среди различных методов магнитных измерений наибольшее развитие получили квантовые сенсоры на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) на основе низкотемпературных (НТСП) с рабочей температурой 4,2 К и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с рабочей температурой 77 К.

Ключевые параметры квантовых сенсоров магнитного поля на СКВИДах

В настоящее время СКВИДы являются наиболее распространенными чувствительными сенсорами магнитного поля среди существующих вариантов. Однако у этой технологии есть ряд существенных ограничений, которые значительно ограничивают ее повсеместное распространение: работа сенсоров при низких температурах (4–77 К) и, как следствие, необходимость использования криогенной системы, которая увеличивает стоимость и размеры устройства, а также ограниченная мобильность в использовании СКВИД-сенсоров.

Помимо СКВИДов, к основным сверхчувствительным магнитным квантовым сенсорам относятся центры окраски, датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах и другие.

Фотодекторы

Фотодетектор — это прибор для регистрации света. Фотодетекторы переводят световой сигнал в электрический. Принцип действия большинства современных фотодетекторов основан на явлении фотоэлектрического эффекта. Основными разновидностями фотодетекторов являются вакуумные лампы (фотоэлектронные умножители) и полупроводниковые детекторы.

Отдельным классом можно выделить квантовые фотодетекторы. К ним относятся однофотонные детекторы, предназначенные для генерации и регистрации одиночных квантов светового излучения и являющиеся неотъемлемой составляющей любой квантовой оптической системы передачи и обработки информации. Такие устройства важны на рынках интернета вещей и квантовой криптографии.

Также к квантовым фотодетекторам относятся квантовые лидары и квантовые радары, принцип действия которых основан на использовании запутанных состояний фотонов (оптического диапазона в случае лидаров и радиодиапазона в случае радаров), что позволяет однозначно выделить полезный сигнал среди шума.

В этом случае достигается сверхчувствительность прибора, и становится возможным обнаружение объектов, химических и радиоактивных веществ, измерение расстояний при низких уровнях выходной интенсивности как самого источникам излучения лидара или радара, так и при низких интенсивностях возвращенного сигнала. Данные преимущества важны для рынков экологического и промышленного мониторинга, а также для автономных транспортных средств.

Наконец, к квантовым фотодетекторам относятся квантовые устройства формирования изображений, основанные на использовании запутанных фотонов и регистрации их корреляции, позволяющих получать изображения при крайне низких уровнях интенсивности излучения.

Оптические частотные гребенки

Оптическими частотными гребенками называют лазерные устройства с излучением, спектр которого разделен на множество узких спектральных линий с равными частотными промежутками. Технически он основан на импульсном лазере, выстреливающем сверхкороткими импульсами через строго равные промежутки времени, задаваемые микроволновым источником с точной известной частотой.

Если устройство на базе такой «гребенки» спектров сможет определить частоту одной линии анализируемого им излучения, то остальные получаются простым добавлением фиксированного частотного «зазора», заранее известного по шлагу. Такие лазерные «линейки» очень эффективны для определения спектров везде — от оптических систем связи до спутниковой навигации, астрофизики и быстрого химического анализа. Однако эта технология сравнительно недавно вышла из лабораторий и пока широкое применение устройств на основе лазерных гребенок было ограничено из-за их сложности, большого размера и высокой стоимости.

Следующим шагом в развитие оптических частотных гребенок может стать переход в технологии генерации оптических квантовых состояний, что откроет новые области применения в метрологии и сенсорике. В настоящее время квантовые технологии фотоники представляют собой альтернативную, надежную физическую платформу для практической реализации квантовой обработки информации, коммуникаций и сенсорики, в частности, используя преимущества волоконно-оптических систем.

Совместимая с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник (КМОП) интегральная фотоника, благодаря развитой технологии производства полупроводников интегральных схем, позволяет изготавливать оптические волноводы и функциональные устройства на выпускаемых в массовом количестве компактных чипах. Можно рассматривать это как недорогую и перспективную альтернативу для масштабируемой стабильной генерации неклассических оптических состояний и их обработки, обладающую большим потенциалом коммерциализации.

Преобразования лазеров, работающих на оптических частотных гребенках, в микроволновое устройство приведет к передаче данных на терагерцовых частотах возможно в сотни раз быстрее, чем сегодняшняя беспроводная связь. Это позволит осуществить прорыв в развитии технологий беспроводных коммуникаций (Wi-Fi).

Также потенциальными применениями квантовых частотных гребенок являются экологический мониторинг и зондирование, улучшение протоколов безопасности в телекоммуникационных сетях, новое поколение комплексных вычислений в медицине и разработке лекарственных средств и многом другом.

В мире уровень готовности технологий квантовых сенсоров находится на отметке TRL 3–9, в России — на отметке TRL 1–5. За счет использования квантовых технологий уровень чувствительности магнитометров увеличится в 1 млн раз, стабильность хронометров — в 1 тыс. раз, чувствительность акселерометров/гироскопов — в 1 тыс. раз, чувствительность гравиметров — в 100 раз.

Ключевые параметры квантового гравиметра Muquans (Франция)

На российском рынке решения в области квантовой сенсорики представлены, в основном, зарубежными компаниями. В России основными разработчиками являются университеты и научно-исследовательские институты.

К числу таких решений, имеющих практические приложения и коммерческие перспективы, можно отнести: оптические атомные часы, гравиметры/акселерометры на атомах рубидия; гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле; локальные сенсоры магнитного поля и температуры на основе азото-замещенной вакансии в алмазе и электрического поля — на центрах окраски; датчики электромагнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах; спинтронные сенсоры; магнитоплазменные сенсоры; твердотельные фотоумножители; спектрограф (электронный нос) с использованием микрорезонаторов; источники и приемники одиночных фотонов. Важной поддерживающей технологий является разработка дешевых лазерных модулей.

Также среди перспективных российских разработок в данной области выделяются еще несколько объектов. Весы Киббла — уникальный инструмент для связи значений постоянной планки и массы. После переопределения системы единиц СИ в 2019 г. и отказа от платиново-иридиевого артефакта, единицы массы была определена через изменения на Киббл-весах.

Оптомеханические системы, работающие на квантовом уровне чувствительности, представляют значительный интерес для двух сфер: сенсоры малых смещений, ускорений (гравиметры и градиентометры) и сил (атомные силовые микроскопы), а также системы квантовой памяти для квантовой криптографии.

Известно, что для преодоления предела дальности квантовой связи, связанного с длиной свободного пробега фотона в канале связи, требуется использования квантовых репитеров, способных хранить квантовое состояние в течение относительно длительного времени. В современных высококачественных оптомеханических системах время тепловой декогерентизации механического объекта (нано-мембраны из нитрида кремния) может приближаться к секунде.

Кроме того, к перспективным российским разработкам относится и квантовая фотометрия на основе частотно-невырожденного параметрического рассеяния света. Данная технология может использоваться для калибровки квантовой эффективности приемников оптического и терагерцового диапазонов, измерения спектрального распределения чувствительности ИК и терагерцовых приемных систем, измерения энергетических характеристик источников терагерцового излучения и генерации коррелированных состояний поля оптического и терагерцового диапазонов.

Упомянутые выше устройства могут найти применение в задачах квантовой информации, квантовой терагерцовой криптографии и метрологии. Терагерцовые детекторы с калиброванным спектральным распределением чувствительности будут востребованы в системах терагерцовой диагностики и обнаружения, при передаче информации по терагерцовым каналам связи.

Мировой рынок терагерцовых радиационных устройств и систем достиг в 2016 г. $56,4 млн. Работы по исследованию и применению квантовых свойств параметрического рассеяния в терагерцовом диапазоне частот ведутся на кафедре квантовой электроники МГУ.

В 2016 г. Евросоюз объявил о запуске флагманской инициативы по квантовым технологиям, на которую будет выделено 1 млрд евро в течение 10 лет. В рамках данной инициативы выделены следующие приоритеты в области квантовой сенсорики: фотонные сенсоры, атомные сенсоры, квантовые часы, квантовое изображение, спиновые сенсоры и оптомеханические сенсоры.

Глобальный рынок квантовых сенсоров в 2016 г. составлял $104 млн, к 2025 г. он вырастет до $1,8 млрд, увеличиваясь в год на 36,7%. В России рынок квантовых сенсоров с $20 млн в 2019 г. вырастет до $32 млн в 2024 г.

Уровень развития решений квантовой сенсорики

В 2013 г. правительство Великобритании решило выделить на исследования в области квантовых сенсоров 270 млн фунтов в течение следующих пяти лет. В число приоритетных направлений исследований были включены и квантовые сенсоры. Данная область упоминается и американской программе «Национальная квантовая инициатива», на которую в 2019–23 гг. будет выделено $1,275 млрд.

Одной из главных тенденций рынка станет применение квантовой сенсорики в области медицины. В частности, ее использование будет востребовано в цитологии и при создании новых медицинских устройств, например, для диагностики и лечения онкологических и других заболеваний. Еще одним важным трендом является растущий спрос на интернет вещей, что в значительной степени стимулирует рост рынка квантовых сенсоров. Также рост рынка стимулирует развитие глобальных навигационных систем, которые широко используются в аэрокосмической и автомобильной отраслях для навигации.

Оптические атомные часы

В дорожной карте отмечается девять перспективных направлений разработок в области квантовой сенсорики. В первую очередь, это оптические атомные часы. Переход из радиочастотного в оптический диапазон позволяет более чем на два порядка повысить точность сигнала. С использованием методов квантовой логики и идей из области квантовых симуляторов, в мире реализованы часы с относительной нестабильностью и неточностью на уровне 10–18, что на два порядка точнее существующего стандарта определения секунды.

В мире уровень технологической готовности (TRL) для данного направления составляет 5–7 из максимально возможных «девяти». Мировыми лидерами в этой области являются лабораторные оптические часы ионах иттербия (неточность 3E-18, нестабильность 5E-15 5Е-15/√τ), ионах алюминия (точность 1E-18, нестабильность 1Е-15/√τ), атомах иттербия (точность 4E-16, нестабильность 8Е-17/√τ), стронция (точность 6E-18, нестабильность 3Е-16/√τ).

Вместе с разработкой стационарных лабораторных оптических часов, в ряде институтов ведется работа по созданию транспортируемых оптических часов. В настоящий момент уже продемонстрирована работа перевозимых оптических часов на основе атомов стронций и ионов кальция. В России исследования в области оптических часов ведутся во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), для России TRL составляет 2–4.

Стандарты частоты (квантовые часы) позволяют определять и расстояние, и время, поэтому они чрезвычайно важны в навигации, в частности, для определения положения спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, а также для передвижения автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (с использованием систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo). Точность хода часов напрямую отражается на точности определения координат объекта на поверхности Земли.

Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также в базовых станциях мобильной связи. Для обеспечения работы системы космической навигации используют сверхточные атомные часы, находящиеся на Земле. Синхронизация атомных часов на борту спутников GPR или ГЛОНАСС с наземными часами происходит посредством радиосигнала универсального времени, который содержит усредненный сигнал всех наземных стандартов частоты. Спутники транслируют свое время приемнику на Земле, который, сравнивая время, полученное от разных спутников, может определить свои координаты.

В настоящее время, однако, бортовые часы космических спутников существенно уступают наземным по точности, что заметно ограничивает возможности позиционирования. Также скорость обработки сигналов спутников и инерциальная навигация в отсутствие сигнала спутника оказываются существенно завязаны на часы в приемнике сигнала навигации, которые в настоящее время крайне неточны. Создание переносных, комнатных оптических часов для использования в приемниках сигналов GPS и ГЛОНАСС и повышение точности бортовых часов — дело ближайшего будущего.

Также все большее применение приобретает точность синхронизации систем хранения и передачи данных, а также прецизионное измерение задержек в таких системах. Здесь также могут применяться компактные точные часы.

В мире постепенно создается сеть высокоточных оптических часов. Характеристики оптических часов уже превосходят характеристики первичного стандарта на основе атомов цезия, и в ближайшем будущем ожидается переопределение секунды на основе оптического стандарта (вероятно, на основе атомов стронция). Международная сеть оптических часов будет необходима для формирования универсальной шкалы времени.

Точность передачи частоты через спутниковые каналы связи находится на уровне 1E-15 — 3E-16 при усреднении в течение дня, то есть для передачи сигнала частоты оптических часов с сохранением точности необходимы другие методы. Решение этой задачи может быть найдено при помощи оптоволоконных линий связи, обеспечивающих точность передачи частоты на уровне 1E-19 при усреднении в течение часа. Сеть оптоволоконных линий связи уже существует в Европе.

Авторы дорожной карты считают необходимым создание в России сети оптических часов и оптоволоконных линий связи для передачи сигналов частоты и времени в России. В перспективе данные линии связи вместе с источниками стабильной частоты могут быть использованы для исследования сейсмических эффектов, детектирования землетрясений и уточнения параметров вращения Земли.

Но строительство оптоволоконных линий является дорогостоящим и занимает продолжительное время. Поэтому в качестве временного решения, а также для гибкого решения локальных задач синхронизации оптических часов, могут быть использованы транспортируемые оптические часы.

Параметры стационарных лабораторных оптических часов

В ближайшее время в мире ожидается продажа на закрытых рынках компактных атомных часов, расширение рынка навигационных приборов, часов и др., а также внедрение оптических атомных часов для повышения точности сигналов универсального времени.

В России для создания оптических часов на нейтральных атомах в период до 2024 г. потребуется p700 млн. Для создания оптических часов на одиноких ионах — еще p700 млн. Также p400 млн нужно будет на подготовку мелкосерийного производства радиочастотного стандарта.

Гравиметры, акселерометры и гироскопы на атомах рубидия

В основе работы атомных гравиметров, акселерометров и гироскопов лежит технология, называемая атомной интерферометрией. Атом как массивная система, чувствителен к гравитационному полю и действию инерциальных сил. Благодаря этому при движении атомов в гравитационном поле или в системе отсчета, движущейся с ускорением, квантовое состояние атомов приобретает набег фазы, прямо пропорциональный ускорению свободного падения/ускорению системы отсчета.

В дальнейшем этот набег фазы можно определить интерферометрическими методами и вычислить величину вызвавшей его силы. Описанная технология опирается на методы глубокого лазерного охлаждения и пленения ансамблей атомов, необходимые для создания атомного источникам высокой фазовой плотности, а также на методы селекции атомов по квантовым состояниям и технику двухфотонной рамановской спектроскопии.

Атомные интерферометры обладают крайне высокой чувствительностью. Которая обусловлена следующими факторами: малой длиной волны де Бройля, большим временем происхождения атома через интерферометр и чрезвычайно узким резонансом при взаимодействии атома с полем.

В мире TRL для сенсоров, работающих на принципах атомной интерферометрии, составляет 4–5. Атомные акселерометры имеют аналогичное гравиметрам устройство и схожие значения чувствительности.

Атомные гироскопы на сегодняшний день способны демонстрировать случайный дрейф ниже 3 мкград/час, стабильность нуля лучше 60 мкград/час и масштабный коэффициент <5 ppm. На сегодняшний день лучшие мировые экспериментальные образцы атомных сенсоров не достигли своего теоретического предела по точности, но уже сейчас они превосходят по точности классические баллистические гравиметры, кольцевые лазерные и волоконно-оптические гироскопы.

В России не известно об экспериментальных разработках в данной области, TRL составляет 1. С 2017 г. во ВНИИФТРИ ведутся работы по созданию отечественного образца атомного гравиметра на атомах рубидия, но результаты этих работ пока не представлены. В то же время в российских институтах имеется задел по работе над атомными интерферометрами и накоплен опыт в области лазерного охлаждения и манипуляций с ансамблями холодных атомов.

К 2021 г. планируется достигнуть субдоплеровского охлаждения атомов рубидия при температуре в 10 мкК и реализовать подбрасывание облака атомов на высоту 1 см. К 2024 г. планируется реализовать гравиметр фонтанного типа на Бозе-конденсате атомов рубидия с характеристикой чувствительности 25 мкгал/Гц. Потребность в инвестициях на данный период составит p900 млн.

Гироскоп на ансамбле спинов в твердом теле

Квантовый гироскоп может быть реализован не только на холодных атомах с применением интерферометрии, но и при комнатной температуре, на чувствительных элементах, в частности, на ядерных спинах азота, ассоциированных с центрами окраски азот-вакансий (NV-) в алмазе. Ключевой особенностью такого гироскопа является возможность создания плотного ансамбля в малом объеме, что открывает перспективы создания компактного датчика угловой скорости.

Параметры квантовых гироскопов различной реализации

При объеме монокристалла алмаза в несколько кубических миллиметров теоретический пределе чувствительности составляет сотые доли градусов в час, что ставит данную технологию в один ряд с лазерными и оптоволоконными гироскопами, использующимися в настоящее время в авиа- и космической промышленности.

В 2021 г. в Массачусетском технологическом институте была предложена концепция квантового гироскопа на NV-центрах, измеряющего угловую скорость вращения с точностью ~0,5 (мград/)с/(Гц) при размере чувствительного элемента 1 мм в кубе. В 2018 г. группой Marko Loncar была показана возможность компактного чип-исполнения для магнитометра на базе NV-центров.

В России также ведутся работы по созданию квантовых гироскопов на NV-центрах, но ни в России, ни в мире коммерческих продуктов в данной области пока нет. И в России, и в мире TRL для данной технологии составляет 2–3.

Ключевой особенностью гироскопа на ядерных спинах в алмазе является возможность создания плотного ансамбля в малом объеме, что открывает перспективы создания компактного датчика угловой скорости. При времени когерентности ядерного спина азота в несколько миллисекунд и объеме монокристалла алмаза в несколько кубических миллиметров, теоретический предел чувствительности составляет сотые доли градусов в час.