Ein Team von Wissenschaftlern des NTI-Zentrums „Quantum Communications“ von NUST MISIS entwickelt den weltweit ersten Prototyp eines Videodetektors für Infrarotphotonen - eine Kamera, die so leistungsstark ist, dass sie die Bewegung einzelner Partikel solcher Strahlung „sehen“ kann. In der Kamera wird eine 1000-Pixel-Matrix installiert, und ein solches System wird in einer Reihe von Bereichen Anwendung finden, in denen hochpräzise Messungen erforderlich sind: sichere Kommunikation, einschließlich Satelliten-, Quantencomputer- und Diagnosemedizin. Die Entwicklung erfolgt im Rahmen des vom Ministerium für Industrie und Handel der Russischen Föderation in Auftrag gegebenen staatlichen Vertrags über die Durchführung von FuE.
Diese Idee ist nicht neu - die ersten Versuche, Photonen "stückweise" zu detektieren, wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit Elektronenröhren - Photovervielfacherröhren - unternommen. Die ersten Geräte arbeiteten jedoch aufgrund einer schwachen technologischen Komponente langsam, manchmal funktionierten sie nicht und manchmal arbeiteten sie falsch. Dann kamen Halbleiterbauelemente - Lawinenphotodioden, die besser funktionierten, aber nur mit sichtbarem Licht. Ein bedeutender Durchbruch im Infrarotbereich gelang Anfang der 2000er Jahre, als das Team des russischen Physikers Grigory Goltsman, der die Firma Skontel gegründet hatte, einen Ein-Pixel-Zähler für einzelne Photonen auf Supraleitern schuf.
Jetzt, im Jahr 2020, entwickelt das Team bereits im Auftrag des Ministeriums für Industrie und Handel der Russischen Föderation im NUST MISIS-Zentrum für NTI „Quantenkommunikation“ einen 1000-Pixel-Videodetektor für einzelne Photonen. Das Gerät, das weltweit keine Analoga hat, ermöglicht nicht nur die Erkennung von Partikeln, sondern auch die Aufnahme eines Bildes in nahezu vollständiger Dunkelheit. Im Moment ist die erste Stufe abgeschlossen, 8 Pixel werden erstellt. Laut Wissenschaftlern können Sie mit dieser Zahl bereits die Prinzipien der Matrix verstehen und steuern. Die nächste Frage ist die Skalierung.
„Der Zähler selbst befindet sich in einem Kryostaten bei einer Temperatur von nur 2 Kelvin, was nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Wenn ein Photon erkannt wird, sendet es ein Signal an die Verarbeitungsschaltung und ein Bild wird auf dem Display angezeigt ", sagt Grigory Goltsman, Chefforscher am Quantum Communications Laboratory des NITU MISIS NTI Center, Gründer des Unternehmens Skontel.
Unser nächster zukünftiger Schritt besteht darin, ein Bild von 1.000.000 Pixeln aus einer Matrix von 1000 Pixeln zu erhalten. Sie können wie bei alten Fernsehgeräten jeweils ein Pixel "öffnen", dies ist jedoch sehr langsam. Um das resultierende Bild weiter zu skalieren, wird es daher durch spezielle Muster geleitet.
„Es gibt eine Möglichkeit, den Prozess zu beschleunigen - Pixel in Gruppen öffnen. Hierzu werden spezielle Schablonen verwendet. Sie öffnen ein Muster, messen, wie viel Licht auf den Detektor trifft, dann das zweite Muster und so weiter “, sagt Alexander Korneev, leitender Forscher am Quantum Communications-Labor des NITU MISIS NTI Center.
Wie bereits erwähnt, wird das endgültige Gerät seine Anwendung in den High-Tech-Bereichen finden: beim Erstellen sicherer Quantenkommunikationsleitungen, einschließlich Satellitenkommunikationskanälen, beim Entwurf eines auf Photonen basierenden Quantencomputers sowie in medizinischen Diagnosegeräten.