Как Россия потратит 7,5 млрд руб. на развитие квантовых сенсоров

ИТ в госсекторе

, 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

Институт, страна атом/ион
NIST, США Hg+, Yb, Аl+
JILA, США Sr
РТВ, Германия Yb+, Sr
RIKEN, Япония Sr, Yb, Hg
LNE-SYRTE, Франция Sr, Hg
NPL, Великобритания Yb+, Sr+, Sr
NTSC CAS, Китай Sr
ВНИИФТРИ, Россия Sr
ФИАН, Россия Yb+,Tm
ИЛФ СО РАН Yb+,Ca

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.

Спектр применений магнитных сенсоров (с указанием типичных параметров при измерениях)

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)

Параметр / Наименование Пружина Сверхпроводник Свободное падение
Чувствительность, (Ag/g) / Гц^1/2 5 х 10^-9 1 х 10^-12 5 х 10^-8
Дрейф, Ag/g 1,5 х 10^-9/месяц 1 х 10^-9 /год
Относительная точность, Ag/g 1 х 10^-9
Тип измерения Относительный Относительный Абсолютный
Габариты, м3 0,04 1,5 1,5
Вес, кг 14 321 127
Мощность, Вт 24 400 350
Источник ошибок Температура и случайный сезонный дрейф. Калибровка изменяется от времени и места Магнитные, электростатические эффекты. Не для полевых работ Температурный дрейф. Магнитные, электростатические эффекты

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.

Основные типы магнитных (классических и квантовых) сенсоров и их чувствительность

Ключевые параметры квантовых сенсоров магнитного поля на СКВИДах

Параметр / Наименование Msgreen 3Dgreen Tristan LSQ/20 Tristan НТМ-8 Сгуо GA1165 Сгуо М800
Пороговая чувствительность, фТл/Гц^1/2 3,5 8,4 < 1 50 2 3,5
Шум, МКФо/Гц^1/2 3 6 1 8 2 3
Размеры, мм 7,5 х 7,5 10 х 10 7,2 х 7,2 8×8 6×6 8×8
Эффективная площадь, мм2 24 59 20 49 15,5 28
Напряжение, мкВ 40 40 30 20
Рабочая температура, К 77 4,2
Количество проекций 1 3 1 1 1 1
Материал Nb/Al-AlOx/Nb Nb/Al-AlOx/Nb Nb/Al-AlOx/Nb YBCO Nb/Al-AlOx/Nb Nb/Al-AlOx/Nb
Страна Германия Германия США США США США
Стоимость, $ 1 620 4 590 3 500 15 000 1 645 1 315

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.

quants28.png

Абсолютный квантовый гравиметр компании Muquans (Франция)

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.

Иллюстрация работы метода оптических гребенок

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)

Параметр Величина
Чувствительность 30 мкГал / Гц^1/2
Предельная чувствительность 2 мкГал /10 мин/минимальный шум
Погрешность 2 мкГал / подлежит подтверждению
Диапазон подлежит определению
Температурный диапазон 15÷30°С
Источник питания 220 В
Потребляемая мощность 300 Вт
Габариты: сенсорный модуль электроника Высота — 50 см / Диаметр — 15 см 50 х 50 х 50 см3

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.

Дорожная карта развития квантовых сенсоров в Великобритании

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

№ п/п Направление развития Уровень развития в РФ УГТ Уровень развития в мире TRL
1 Оптические атомные часы 2-4 5-7
2 Гравиметры, акселерометры на атомах рубидия 1 4-5
3 Гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле 2-3 2-3
4 Локальные сенсоры магнитного, электрического полей и температуры на центрах окраски 3-4 5-6
5 Датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах 3-4 6-7
6 Спинтронные сенсоры 1-2 3-4
7 Магнитоплазмонные сенсоры 3-4 8-9
8 Твердотельные фотоумножители 4-5 9
9 Спектрографы с использованием двойной оптической гребенки 4 4-5

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.

Основные направления развития квантовых сенсоров в Великобритании

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.

Рынок квантовых сенсоров (на основе дорожной карты Великобритании)

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.

Относительная неточность микроволновых и оптических стандартов

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.

Параметр / Наименование Первичный стандарт частоты Коммерческие часы на атомном пучке Компактные атомные часы Миниатюрные атомные часы Прецизионные кварцевые часы Наручные кварцевые часы
Погрешность 10^-15 10^-13 10^-11 10^-10 10^-7 10^-5
Нестабильность 10 нс/год 10 мкс/год 0,1 мкс/сут 1 мкс/сут 100 мкс/сут 1 с/сут
Габариты 10^7 см3 10^4 см3 100 см3 10 см3 1÷10 см3 10 мм3
Мощность 1 кВт 0,1÷0,5 кВт 1 Вт 120 мВт 100 мВт 10 мкВт
Стоимость ˃ $1 млн. $50 тыс. $2 тыс. 300 100 1

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.

Повышение точности государственного эталона единиц времени и частоты в России

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

Атом / Ион (Не)точность (Не)стабильность Институты, компании
Yb 4 х 10^-16 8 x 10^-17/Vt NIST (США), RIKEN (Япония)
Sr 6х 10^-18 3 x 10^-16/Vt ВНИИФТРИ (РФ) JILA (США), РТВ (Германия) RIKEN (Япония), NTSC CAS (Китай), LNE-SYRTE (Франция), NPL (Великобритания)
Yb+ 3 х 10^-18 5 x 10^-15/Vt РТВ (Германия), NPL (Великобритания), ФИАН (РФ), ИЛФ СО РАН (РФ)
АГ+ 1 x 10^-18 1 x 10^-15/Vt NIST (США)

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.

Сеть оптоволоконных линий для передачи сигналов частоты (желтый, зеленый) и времени (синий)

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.

Схема гравитационных датчиков на основе атомной интерферометрии

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

Параметр / Тип гироскопа Холодные атомы Атомный пучок ЯМР NV-центры
Чувствительность, град / час^1/2 2,95 х 10^-4 2 х 10^-3 10^-3 3 х 10^-2
Габариты, мм3 -10^9 1,56 х 10^4 >10^3 1
Время запуска 51 мс 100 с 1,3 мкс

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.

Принципиальная схема квантового гироскопа на NV-центрах

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.

Чувствительность магнитометров в зависимости от разрешающей способности (Стандартный квантовый предел — «дробовый шум» для NV-центров — штриховая красная линия)

Это ставит данную технологию в один ряд с лазерными и оптоволоконными гироскопами, использующимися в настоящее время в авиа- и космической промышленности. Высокоточный гироскоп находит применение при построении высокоточных инерциальных навигационных систем.

К 2021 г. должен быть получен экспериментальный образец гироскопа со спектральной чувствительностью 10 град/корень(час). К 2024 г. будет получен компактный гироскоп со спектральной чувствительностью 0,1 град/корень(час). Потребности в инвестициях в России за период до 2024 г. составят p1,5 млрд.

Локальные сенсоры магнитного, электрического полей и температуры на центрах окраски

Сенсоры на центрах окраски в целом и NV-центрах в частности рассматриваются для решения задач локальной магнитометрии, термометрии и измерения электрических полей. Ключевыми направлениями работы являются поиски путей достижений максимального пространственного разрешения, чувствительности и динамического диапазона. На данный момент работы ведутся в направлениях зондовой микроскопии и универсального устройства для локальной магнитометрии.

Сопряжение наноалмазов или создание уникальных зондов с атомно-силовым микроскопом позволяет получить сканирование с пространственным разрешением порядка 25 нм и чувствительностью 10 нТ/Гц. Также ведется разработка универсального устройства для локальной магнитометрии на базе монокристаллических алмазных пленок.

На данный момент это является самой перспективной технологией в силу ее универсальности и скорости работы. Пространственное разрешение ограничено дифракционным пределом и составляет 500 нм, а чувствительность прибора на данный момент порядка 100 нТ/Гц.

Также устройства на основе одиночных примесных атомов в твердотельных кристаллических структурах крайне перспективны в связи с высокими значениями характерной кулоновской энергии и энергии размерного квантования одиночных электронов, а также возможности манипулировать отдельными электронами, отдельными одночастичными энергетическими состояниями и спинами отдельных элементов.

Уникальные физические свойства таких структур открывают возможности для создания новых электронных сенсорных и вычислительных квантовых устройств, в частности, резервуарных вычислительных сетей на основе одиночных примесных атомов, квантовых битов и регистров на основе примесных атомов, зарядовых и полевых сенсоров на их основе, оптико-электронных интерфейсов.

Подобная технология может использоваться для создания пространственного сенсора электрических полей на основе одноэлектронной квантовой резервуарной вычислительной сети на примесных атомах. Технология (позволяет детектировать зарядовые эффекты на поверхности сенсора на площади 40×40 нм с пространственным разрешением вплоть до единиц нанометров. Характерные времена, на которые могут быть зарегистрированы процессы, связанные с образованием зарядов или уничтожением зарядов вплоть до 10^-9-10^-10 с.

Также технология может использоваться для создания детектора электромагнитного излучения в диапазоне частот 10^12-10^14 Гц на массивах одноэлектронных одноатомных транзисторов на цепочках примесных атомов в микроволновых резонаторах, системах машинного зрения, электронном глазе на чипе в терагерцовом диапазоне, радиолокации малого радиуса действия, медицинской и биологической диагностике и химической промышленности.

В мире TRL для данной технологии составляет 5-6. В частности, на базе работ ученых из Гарварда была создана компания Quantum Diamond technologies, получающая финансирование от Национального Института стандартов и технологией и фонда DARPA на создание нового поколения аналитического оборудования для задач биологии, медицины и материаловедения.

В России в ИПФ РАН создана разработана технология легирования монокристалла алмаза азотом в дельта-слоях, открывающая возможности создания универсального устройства для локальной магнитометрии. В России TRL составляет 3-4.

Магнитометры на базе NV-центров значительно расширяют возможности современных методов анализа скрытых дефектов. Возможности современных магнитометров ограничены существующими на рынке технологиями. От чувствительности и пространственного разрешения сенсора зависит, насколько точно будет определен размер дефекта и локализовано его положение. В свою очередь, от этого зависит оценка влияния дефекта на дальнейшую работоспособность всего элемента.

Схожие проблемы встречаются в медицинских приложениях при измерении биомагнитного поля, в которых требуется детектирование слабых магнитных полей с высоким пространственным разрешением на фоне сильного техногенного или естественного поля Земли. В некоторых из перечисленных направлений требуется эндоскопический режим работы, то есть использование сенсора в труднодоступных местах, в том числе при проведении микрохирургических операций.

В медицине при поиске новых технологий для лечения широко распространенных и наследственных заболеваний проводятся исследования биологических объектов на клеточном и субклеточном уровне. При изучении процессов, происходящих на клеточном уровне, одним из перспективных направлений является исследование температуры.

Возможности, которые при этом открываются, начинаются от температурно-контролируемых процессов в клетках до лечения болезней с клеточной избирательностью. Для определения температуры биологических объектов с клеточным или даже субклеточным разрешением требуются микронное пространственное разрешение, а также высокая скорость измерений, необходимая для построения распределения температуры живых клеток или тканей в реальном времени.

К 2024 г. ожидается создание технологического задела для миниатюризации прототипа локального магнитометра на базе монокристаллических алмазных пластин, легированных дельта слоями азота. Чувствительность локального квантового магнитометра составит 10 нТ/Гц, пространственное разрешение — 500 нм, динамический диапазона — 5 тыс мкТ. В России потребности в инвестициях за данный период оцениваются в p650 млн.

Датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах

Одним из наиболее перспективных претендентов на статус универсального магнитометра является сверхчувствительный магнитомодуляционный сенсор на основе пленки феррита-граната, использующий когерентное состояние спинов. Данный сенсор использует твердотельный чувствительный элемент из феррита-гранат в качестве сердечника.

За счет использования особого магнитного состояния сердечника, обусловленного квантовой природой магнетизма, значение магнитного поля, которое удается зарегистрировать, в 1 тыс. раз меньше, чем в случае решения, основанного на обычном магнитоупорядоченном материале, и работающего по схеме феррозонда или Гигантского Магнитного Импенданса (ГМИ).

Высокая чувствительность достигается благодаря явлению, при котором спины атомов вещества во внешнем магнитном поле разворачиваются или отклоняются синхронно и однородно, то есть образец ведет себя подобно однодоменной частице или единичному спину. Данное явление, называемое когерентным состоянием спинов, позволяет исключить шумы, связанные с перемагничиванием, возникающие в сердечниках твердотельных магнитометров, работающих по схемам феррозонда или ГМИ.

Сенсор, использующий когерентное состояние спинов, не требует поддерживания специальных условий, как в случаях промышленных квантовых магнитометров, таких как нагрев или охлаждение до криогенных температур, поскольку данное состояние спинов обеспечивается правильным подбором параметров материала чувствительного элемента.

Устройство, с одной стороны, сохраняет все преимущества твердотельных магнитометров, но при этом характеризуется уровнем шума не выше коммерческих квантовых магнитометров, которые используют пары щелочных металлов или сверхпроводящие элементы. Таким образом, данное устройство вполне можно считать универсальным магнитометром.

К основным областям применения относятся новейшие медицинские диагностические технологии (магнитокардиография, регистрация и визуализация магнитных наночастиц для ИФА и диагностики онкологических заболеваний), технологии подводной и подземной связи «through the earth», подземное и подводное позиционирование на основе передачи КНЧ-сигнала магнитными полями, некоторые технологии неразрушающего контроля, технические решения для оборонных задач коммерческой безопасности (магнитная рамка, способная различать предметы скрытого ношения, датчики движения военной техники и миноискатели, датчики взрывчатки), научное оборудование (магнитометры и магнитные визуализаторы) и специальные биомедицинские задачи (магнитоэнцефалография и магнитные нейроинтерфейсы).

Магнитометр позволяет регистрировать слабые магнитные поля, обладает широким частотным рабочим диапазоном, приемлемым пространственным разрешением, возможностью работы в «векторном» режиме в градиентных полях, способностью к градиентным измерениям при общей портативности устройства, простоте в обращении, характеризуется низким энергопотреблением и невысокой стоимостью.

В мире есть несколько решений на основе магнитоупорядоченных сред, которые претендуют на статус универсального магнитометра. Например, в Японии в Нагойском университете совершенствуют технологию сенсоров, использующих аморфные стрежни из ферромагнитных металлов и работающих на эффекте ГМИ. TRL в мире составляет 6-7.

В России аналогичные работы ведутся в ИЗМИРАН, где устройства тестируются на пригодность для сверхточного магнитного неразрушающего контроля коррозии металлов. TRL в России составляет 3-4.

Наиболее перспективным претендентом на статус универсального статус универсального магнитометра является сенсор на основе пленки феррита-граната, использующий когерентное состояние спинов, позволяющее значительно снизить шумы и, как следствие, увеличить чувствительность. Принципы работы данного квантового сенсора и классического феррозонда аналогичны, однако, за счет использования магнитного состояния, обусловленного квантовым обменным взаимодействием, значение магнитного поля, которое удается зарегистрировать, в 1 тыс. раз меньше, чем в случае классического решения.

Таким образом, устройство детектирует поля до 10 фТл в полосе от 0,1 Гц, имеет пространственное разрешение 1 мм, сохраняет все преимущества традиционных феррозандов и может считаться универсальным магнитометром. Данный сенсор разрабатывается в Российском квантовом центре для широкого круга задач.

К 2024 г. ожидается полноценное развертывание производства и наиболее успешных и перспективных технологических решений, основанных на магнитометрии и универсальных датчиках магнитного поля, которые для них необходимы. Потребности в инвестициях за этот период в России составят p620 млн.

Спинтронные сенсоры

В настоящее время в мире активно развивается новая отрасль науки — спинтроника и устройства на ее основе. В отличие от приборов обычной электроники, энергию или информацию в таких устройствах переносит не электрический ток, а ток спинов. С практической точки зрения на базе спинтроннных элементов может быть создано новое поколение энергозависимой магниторезистивной памяти, а также микроволновых генераторов малых размеров, спиновых логических элементов и нейроморфных устройств.

Ярким примером того, как переход от классических технологий к квантовым произвел революцию в хранении данных, является использованием в качестве считывающей головки жестких дисков сенсоров магнитного поля, основанных на квантовом эффекте туннельного магнетосопротивления, что позволило в миллиард раз увеличить плотность записи информации по сравнению с первыми коммерческими жесткими дисками, использовавшимися в середине XX века.

quants42.png

Использование квантовых материалов в спинтронике позволит использовать их уникальные электрические свойства

Фактически данный успех во многом способствовал развитию спинтроники — электроники, использующей не только заряд электрона, как традиционная микроэлектроника, но и его собственный магнитный момент (спин). При этом современная спинтроника использует только часть потенциала квантовых эффектов, наблюдаемых наноразмерных магнитных систем (эффект переноса спина и туннельное магнетосопротивление).

Сейчас ведущие академические и промышленные исследовательские лаборатории активно ведут работу, направленную на переход к квантовой спинтронике. Здесь можно выделить два направления. Первое связано с использованием новых квантовых материалов, таких как топологические изоляторы, графе и др. Основной технологической мотивацией этих исследований является использование беззарядовых спиновых токов.

Другим важным направлением является переход от мезоскопических к чисто квантовым спинтронным объектам, таким как магнитные квантовые точки, молекулярные магниты, магнитные нанокластеры. Кванто-механическое управление их электронным состоянием позволяет реализовать новые функциональные возможности, не имеющие аналогов в «классических» спинтронных приборах.

quants43.png

Управление спиновым состоянием квантового объекта

В 2005 г. в Японии было показано, что приложение радиочастотного переменного оттока к магнитному туннельному контакту может вызвать генерацию постоянного напряжения перпендикулярно интерфейсу структуры. Последующее совершенствование туннельных структур позволило существенно превзойти по чувствительности используемые в настоящий момент полупроводниковые детекторы (3800 В/Вт), достигнув величины 200 тыс В/Вт в 2018 г .

Данные результаты указывают на возможность создания перспективных детекторов СВЧ-сигнала на основе магнитных туннельных контактов. В мире TRL для данной технологии составляет 3-4.

В последнее время намечается переход от классической спинтроники, использующей спин-поляризованный ток, то есть электрически ток с неравным количеством спинов, направленных вверх и вниз, к спинорбитронике, работающей с чистым спиновым током, которые не сопровождается переносом заряда. Преимущества его использования — высокая энергоэффективность, отсутствие паразитного магнитного поля, существенное уменьшение нагрева, отсутствие шумов, связанных с зарядами. Именно за счет действия чистого спинового тока будут управлять все перспективные спинтронные устройства.

Одним из материалов, привлекающих в последнее внимание, является селенид висмута, так как при определенных условиях он становится топологическим изолятором (ТИ). ТИ — это квантовые материалы, являющиеся диэлектриками в объеме и хорошими проводниками на поверхности, если она приведена в контакт с обычным диэлектриком. Открытие ТИ может привести к радикальным изменениям в современной электронике, в частности, возможно создание бездиссипативных спин-токовых устройств.

В России несколько лет назад было создано спинтронное производство компании «Крокус наноэлектроника», где изготавливаются как элементы спинтронной памяти, так и сенсоры различного назначения, основанные на магнитном туннельном эффекте.

Разрабатываемый в Российском квантовом центре квантовый магнитный сенсор также сможет придти на смену современным считывающим головкам на магнитных туннельных контактах. В то же время TRL для данной технологии в России составляет лишь 1-2.

В перспективе можно ожидать значительное усиление позиции российского сегмента индустриальной спинтроники на глобальном рынке. Одним из прорывных направлений является разработка и производство сверхчувствительных детекторов радичастотного излучения. На сегодняшний день основная часть сенсоров СВЧ-сигнала выполнена на базе полупроводниковой электроники, а применение спинтроники позволит значительно повысить эффективность телекоммуникационных сенсоров, применяемых в мобильных телефонах, беспроводных сетях и т.д.

Еще одним большим потенциалом обладает квантовая спинтроника в индустрии хранения и обработки больших данных, где тренд направлен на ускорение записи и считывания, повышение плотности записи и энергоэффективности. Последнее особенно важно, так как уже сегодня в крупных индустриальных экономиках около 10% вырабатываемой энергии тратится на работы центров хранения данных.

Динамика изменения мирового рынка квантовой сенсорики по отраслям

Основными областями применения квантовых спинтронных сенсоров являются: ИТ (сверхплотная и сверхбыстрая магнитная память), СВЧ-электроника (беспроводное энергоснабжение детекторов, сенсоров и других устройств малой и сверхмалой мощности), биология (магнитные изображения нейронных сетей реального времени, диагностика внутриклеточных процессов, зондовая микроскопия биологических объектов), медицина (исследования головного мозга — магнитно-резонансная томография), материаловедение (зондовая микроскопия и диагностика магнитных примесей высокочистых материалов) и неразрушающий контроль (магнитная дефектоскопия, измерение магнитных полей и токов в электронных приборах).

К 2024 г. планируется обеспечить коммерциализацию продуктовой линейки спинтронных устройств беспроводного энергоснабжения для сенсорных систем, и обеспечить демонстрацию основных элементов функционирования квантового спинтронного сенсора, основанного на квантовой спиновой динамике в магнитной квантовой точке. Потребность в инвестициях в России за данный период p550 млн.

Плазмонные биосенсоры на основе 2D-материалов

В настоящее время активно развиваются технологи сенсорики при помощи поверхностных электромагнитных волн (включая волноводные, плазмонные и другие технологии). Это обусловлено высоким спросом на них в широком спектре биологических, медицинских и фармакологических задач. Причиной растущего интереса к таким сенсорам является универсальность методики.

В зависимости от адсорбционно-селективного покрытия она позволяет исследовать самые разные биообъекты – клетки, бактерии, антитела, клеточные органеллы, и в режиме реального времени изучать кинетику взаимодействия с внешними воздействиями и фармакологической терапией. В настоящее время существует ряд доступных на рынке продуктов, а также ряд научных разработок, позволяющих существенно повысить качество измерений — снизить уровень шума, повысить на порядки минимально детектируемые концентрации, улучшить пространственное и временное разрешение.

Эти возможности являются критически важными для применения сенсоров в диагностических и фармакологических исследованиях. В мире TRL для данной технологии составляет 8-9.

Сравнение характеристик различных биосенсоров

OWLS 210 Biacore XI00 Биосенсор на поверхностных волнах
Принцип работы спектроскопия волноводных мод регистрация плазмонного резонанса регистрация резонанса. связанного с поверхностными длиннопробежными электромагнитными волнами
Рабочая поверхность диэлектрик с высоким показателем преломления Золото Диэлектрик
Временное разрешение 1 с Нет данных 0,1 с
Разрешение (показатель преломления) 3х10^-6 без ячейки сравнения 10^-7 с ячейкой сравнения 3×10^-8 с ячейкой сравнения
Разрешение (масса на площадь) 10 пг/мм2 0,1 пг/мм2 0,1 пг/мм2
Максимальный размер исследуемых объектов 1 мкм 0,1 мкм 1 мкм

Разрабатываемые в России сенсорные структуры дают значительный выигрыш по ряду параметров в сравнении с доступными в настоящее время сенсорами зарубежных компаний. Наличие в России всех необходимых для изготовления сенсоров технологий позволяет полностью локализовать производство. В то же TRL для российских технологий пока составляет лишь 3-4.

К 2024 г. будет налажено серийное производство нескольких моделей сенсоров на поверхностных волнах, заточенных под актуальные задачи биомедицинских исследований (диагностика, фармацевтика, биомедицинские исследования). Размер требуемых инвестиций в России за этот период составит p570 млн.

Твердотельные фотоумножители

Фотоумножитель — это электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемых фотокадом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии. Ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок.

Технология твердотельных фотоумножителей зародилась в СССР в 30-х годах. Впоследствии технология развивалась несколькими российскими академическими институтами и компаниями. Однако коммерческий успех она получила за рубежом благодаря японской Hamamatsu Photonics и ирландской Sensl. Причины отсутствия коммерческой технологии в России включают в себя различия в инвестиционном и инновационном климате, экспортных барьерах, а также отсталости российской микроэлектронной и электронной промышленности.

В мире производятся фотоумножители трех типов. Лавинные фотодиоды (ЛФД) имеют высокую квантовую эффективность и высокий динамический диапазон (около 5 порядков), но при этом не лишены недостатков. Их использование для регистрации малофотонных импульсов не представляется возможным, так как при требуемом в этом режиме высоком коэффициенте умножения (более 100) шумы умножения становятся недопустимо высокими, и быстродействие ухудшается.

Вакуумные фотоумножители (ФЭУ) не являются твердотельными приборами. Но в некоторых случаях взаимозаменяемы с твердотельными. Они важны в качестве опорной точки для сравнения, так как появились на рынке первыми. ФЭУ сочетают высокий коэффициент умножения до 10^5 с низкими шумами. Это позволяет реализовывать надежную регистрацию малофотонных сигналов. Эти приборы обладают сравнительно низким темновым генерационным током, что делает их незаменимыми для оптических систем, где требуется детектировать световые сигналы на больших площадях.

Динамический диапазон ФЭУ достигает пяти порядков. Их недостатком является низкая квантовая эффективность, вследствие использования в качестве механизма фотопреобразования внешнего фотоэффекта. Кроме этого, ограничивает широкое применение ФЭУ большие габариты, чувствительность к механическим нагрузкам и магнитным полям, высокие питающие напряжения, проблемы с долговременной стабильностью параметров. Все эти факторы побуждают разработчиков постоянно искать твердотельные аналоги ФЭУ.

Кремниевые фотоумножители (SiPM) являются матрицами гейгеровских лавинных фотодиодов с объединенным выходом всех элементов. Лучшие образцы таких приборов выпускаются фирмой Hamamatsu под маркой MPPC. SiPM сочетают высокие коэффициенты умножения (10^4) и низкий шум-фактор, поэтому являются первыми полупроводниковыми приборами, способными регистрировать малофотонные световые импульсы при комнатной температуре.

К недостаткам SiPM относят ограничение на fill-factor. Fill-factor определяет предельное значение квантовой эффективности и, соответственно, вероятность однофотонной регистрации прибора, а плотность элементов — его динамический диапазон. Поэтому базовый присущий SiPM недостаток можно определить ,как противоречие между их ключевыми параметрами: вероятностью однофотонной регистрации и динамическим диапазоном.

Важным недостатком SiPM является так называемый crosstalk между соседними элементами. Он выражается в появлении дуплицированного одноэлектронного сигнала в соседней ячейке сразу вслед за сигнальным одноэлектронным сигналом в сработавшей ячейке.

Crosstalk — основной источник шумов усиления в SipM, который, в совокупности с ограничениями PDE и динамического диапазона, ограничивает возможности их использования. При этом ни одни из трех типов фотодетекторов не сочетает в себе свойства «адекватного» фотоумножителя.

Hamamatsu занимает до 90% мирового рынка PMT и более 50% рынка SiPM. На рынке APD лидирующей является компании First Sensor. В мире TRL для данной технологии находится на максимальной, девятой отметке. Российские решения ни в одной из перечисленных технологий на рынке не присутствуют, хотя и PMT, и SiPM были впервые разработаны в СССР.

Компания Описание
Hamamatsu Photonics Крупнейший производитель оптоэлектронных сенсоров (включая вакуумные фотоумножители), электрических источников света. Вакуумные ФЭУ (РМТ), модули к ФЭУ (РМТ modules). Лавинные фотодиоды, модули к ЛФД. Твердотельные фотоумножители (МРРС)
ET Enterprises Крупнейший производитель вакуумных фотоумножителей. Вакуумные ФЭУ (РМТ). Модули к ФЭУ (РМТ modules). Источники напряжения (Power Supply)
Advanced Photonix Поставщик оптоэлектронных датчиков, приборов и аппаратуры, используемой для испытаний и измерений, управления процессами, медицинского и телекоммуникационного рынков. Лавинные фотодиоды и модули к ним: Cooled Large, Area Silicon APDs: Windowless Noil-Cooled Large, Area Silicon APDs: Cooled Large Area Silicon APD Modules
Sensl Разработка и производство кремниевых фотоумножителей. Матрицы и модули счета фотонов на их основе. Ведущий поставщик решений обнаружения слабого света, основываясь на своей технологии твердотельных кремниевых ФЭУ
Laser Components Производство лавинных фотодиодов и модулей для счета одиночных фотонов; специализируется на разработке, производстве, продаже компонентов и услуг для лазерных и оптико-электронной промышленности. Лавинные фотодиоды и модули: Silicon Avalanche Photodiodes, Silicon APDs for Photon Counting, Silicon APDs, UV sensitive: APD-Modules
Micro Photon Devices Счетчики одиночных фотонов: разработка и производство лавинных фотодиодов для регистрации одиночных фотонов; разработка интегральных активных схем гашения тока в SPAD фотодиодах
Zecotek Исследования и разработки в области однофотонных технологий и продуктов для коммерческих и исследовательских приложений. Линейка продуктов включает в себя сцинтилляционные кристаллы, волоконные лазеры, фотодетекторы для слабого света и счетчики фотонов

Российские разработки твердотельных фотоумножителей находятся уровне TRL 4-5. В том числе компания «Дефан» получила прототип фотоумножителя с требуемыми характеристиками.

К 2024 г. ожидается запуск первых продуктовых партий приборов на зарубежных фабриках по производству микросхем для применения в области оптической связи, биомедицины и спектроскопии с последующей продажей. Требуемый размер инвестиций в России за этот период составит p710 млн.

Спектрограф с использованием двойной оптической гребенки («электронный нос»)

Оптические частотные гребенки, получившиеся из микрорезонаторов, были успешно применены в прямой спектроскопии поглощения веществ с использованием двух гребенок, слабо отличающихся по межмодовому расстоянию в ближнем и среднем ИК-диапазонах.

В этом методе сбиваются два одинаковых источникам оптических частотных гребенок в ближнем или среднем ИК с немного различными частотами повторения, и генерируется сигнал биений на фотодекторе в форме гребенки, но уже в радиодиапазоне частот. Это может быть использовано для восстановления профилей поглощения веществ в быстром компактном устройстве без подвижных механических частей.

Оптическое разрешение определяется межмодовым расстоянием гребенок (5-100 ГГц), а скорость измерения определяется разностью между частотами повторений (10 кГЦ — 100 МГц). Одна гребенка используется как локальный осциллятор, другая используется для получения оптической спектральной картины исследуемого образца. Результирующие биения двух гребенок дают радиочастотный сигнал, содержащий информацию о линиях поглощения (амплитуду и фазу).

В России ведутся экспериментальные исследования, проводятся измерения долговременной стабильности источников двойной оптической гребенки и изучается возможность их компактного изготовления. В том числе экспериментально продемонстрирована возможность спектроскопии поглощения веществ с помощью двойных оптических гребенок из кристаллических микрорезонаторов, получаемых в лабораторном эксперименте.

Оптическое разрешение составило 12 ГГц, измеряемый диапазон — 1500-1600 нм. Российские решения отличает уровень TRL 4. В мире также проводятся первые эксперименты по генерации двойных оптических гребенок из микрорезонаторов, TRL составляет 4-5. Конечных готовых компактных устройств, работающих по данному принципу, в мире нет.

К 2022 г. ожидается демонстрация компактных источников двойных оптических гребенок, к 2024 г. — демонстрация спектроскопии релевантных веществ с помощью компактного устройства. Компактный источник двойной гребенки будет иметь ширину 100 нм с оптическим разрешением 10-25 ГГц.

А в качестве демонстрации спектроскопии релевантных веществ будет проведена быстрая спектроскопия глюкозы в крови с изменением спектра поглощения на 1 дБ. Объем требуемых инвестиций в России оценивается за период до 2024 г. в p650 млн.

Сколько нужно денег на развитие квантовых технологий в России

Из обозначенных трех субтехнологий к коммерческому применению наиболее близки квантовые коммуникации. Именно в рамках данной субтехнологии российские разработки имеют шанс выйти на мировой рынок. В то же время для стратегических интересов страны наиболее важны квантовые вычисления. Что касается продуктов на основе квантовой сенсорики и метрологии, то для раскрытия их потенциала необходимо будет преобразить многие индустрии.

Потенциальные потребители квантовых сенсоров

Компания Решаемые задачи Прикладная область
НИПК «Электрон», «Медицинские технологии лтд», ГК «Ростех» Новые, более точные и информативные устройства для диагностики и терапии различных заболеваний Медицина
ГК «Роскосмос», НПП «Салют», АО «Информационные Спутниковые системы» Повышение точности спутниковых систем навигации Навигация для обороны
ПАО «Газпром», ПАО «Сургутнефтегаз», ПАО «НК «Роснефть», ПАО «Нефтяная компания «ЛУКОЙЛ», ПАО «Татнефть» Сверхточные системы позиционирования для бурильных аппаратов. Сверхувствительные датчики на «цифровые месторождения». Новые системы, повышающие точность нефтеразведки. Сверхчувствительные системы для обнаружений утечек нефти и газа Нефтегазовая отрасль
ООО «Яндекс» Повышение точности систем для позиционирования беспилотного транспорта Беспилотный транспорт
ГК «Ростех» Сверхувствительные датчики для интернета вещей. Новые методы неразрушающего контроля. Использование сенсоров в роботике Индустрия 4,0

Дорожная карта предполагает финансирование проектов по развитию квантовых технологий в период до 2024 г. на общую сумму p51,15 млрд. Из этой суммы p41,1 млрд выделит федеральный бюджет, p10,03 млрд будут взяты из внебюджетных источников.

В том числе на реализацию основных проектов в сфере квантовых технологий планируется потратить p34 млрд. Из этой суммы федеральный бюджет выделит p26,35 млрд, из внебюджетных источников будет взято p7,63 млрд.

Оценка приоритетов субтехнологий в разрезе областей применения и рынков

Субтехнология Приоритет Рынок Область применения
КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ Рынок информационных технологий, рынок информационной безопасности, финансовый сектор, логистика и транспорт, высокотехнологичная и обрабатывающая промышленность, здравоохранение и фармацевтика, консалтинг и оптимизация производственных процессов Информационная и кнбербезопасность, оптимизация инженерных разработок, моделирование конструкционных решений, квантовая химия, создание новых материалов, оптимизация инвестиционного портфеля, управление рисками, оптимизация в логистических задачах, оптимизация в производственных процессах, поиск по базам данных, обработка больших объемов данных, ускорение работы нейронных сетей
квантовые вычислительные устройства на сверхпроводниковых системах, атомах и ионах 1
квантовые вычислительные устройства на фотонах, поляритонах, примесных атомах 2
квантовые коды коррекции ошибок, методы подавления ошибок 1
эмулятор квантовых вычислений, квантовые алгоритмы 1
облачная платформа для квантовых вычислений 1
КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ
масштаб квантовой сети до 10 000 км с низкой стоимостью подключения 1 Финансовые услуги, телекоммуникации, медицина, информационная безопасность, ВПК Защита передачи данных, аутентификация, защита хранения данных, модернизация систем информационной безопасности на предмет устойчивости к квантовым атакам, международная, межрегиональная и межфилиальная квантово-защищенная связь
КРК в открытом пространстве для спутников и беспилотных средств 2 ВПК, автомобильная промышленность, транспорт и логистика, космическая промышленность Беспилотные транспортные средства и летательные аппараты, корабли и автомобили с целью проверки подлинности управляющих сигналов
квантовый генератор случайных чисел 2 Информационная безопасность, ВПК Аутентификация, защита хранения данных
стандарты рынка квантово-безопасной передачи данных, научнообразовательные системы квантового распределения ключа 1 Образование и инновации в сфере информационной безопасности и физических наук Методики обучения в области квантовых коммуникаций, единые отраслевые стандарты, обеспечивающие качество услуг, модернизация систем информационной безопасности на предмет устойчивости к квантовым атакам, критическая инфраструктура, в т.ч. умные сети (smart grids)
КВАНТОВЫЕ СЕНСОРЫ И МЕТРОЛОГИЯ
квантовые часы 1 ВПК, автомобильная промышленность, транспорт и логистика, космическая промышленность, aинансовые услуги Навигация, инфраструктура финансового трейдинга
квантовые датчики 1 Агропромышленный комплекс, потребительский сектор, медицина, наука и инновации Контроль параметров, диагностика и терапия, интернет вещей и нейроинтерфейсы
квантовые сенсоры 1 Строительство, нефтедобыча и нефтепереработка, наука и инновации, медицина Строительство, нефтедобыча и геологоразведочные работы — измерения и контроль параметров, исследования и разработки, диагностика и терапия
квантовые детекторы 1 Наука и инновации, медицина, потребительский сектор Исследования и разработки, интернет вещей

В сфере квантовых вычислений общий объем финансирования составит p15,2 млрд, из которых федеральный бюджет выделит p12,8 млрд, внебюджетные источники — p2,4 млрд. В том числе на грантовую поддержку организаций будет направлено p4,9 млрд, на поддержку программ деятельности лидирующих исследующих центров (ЛИЦ) — p2,1 млрд, на поддержку отраслевых решений — p3,2 млрд, на поддержку разработки и внедрения промышленных решений — p2,8 млрд, на поддержку компаний-лидеров — p2,2 млрд.

В данной сфере запланировано: в 2020 г. реализовать квантовые процессоры с 5-10 кубитами; в 2021 г. сформулировать задачу о достижении квантового превосходства (решение квантовым компьютером задачи, которая не поддается решению классическими технологиями); в 2023 г. — запустить облачную платформу для квантовых вычислений (обеспечивающую API и имеющую высокоуровневые языки программирования) и эмулятор квантового процессора, а также на реальных физических системах протестированы методы подавления и коррекции ошибок.

Оценка целевого уровня эффектов применения квантовых технологий по приоритетам

Субтехнология Целевой уровень Приоритет
КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
квантовые вычислительные устройства на сверхпроводниковых системах, атомах и ионах прототип 1
квантовые вычислительные устройства на фотонах, поляритонах, примесных атомах прототип 2
квантовые коды коррекции ошибок, методы подавления ошибок прототип 1
эмулятор квантовых вычислений, квантовые алгоритмы на рынке 1
облачная платформа для квантовых вычислений на рынке 1
КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ
масштаб квантовой сети до 10 000 км с низкой стоимостью подключения на рынке 1
спутник квантового распределения ключей на рынке 1
квантовый повторитель технологический задел 2
стандарты рынка квантово-безопасной передачи данных на рынке 1
КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
квантовые сенсоры мелкосерийное производство 1

В 2024 г. должна быть решена задача о достижении квантового превосходства, а также реализованы и протестированы пять квантовых алгоритмов для решения индустриально востребованных задач. К этому моменту более 10 компаний будут использовать облачную платформу для квантовых вычислений. Сама платформа будет использовать не менее трех различных типов квантовых процессоров, иметь не менее 10 тыс. запусков в год для решения задач и интегрированные методы подавления и коррекции ошибок.

По результатам реализации мероприятий дорожной карты в сфере квантовых вычислений, количество кубитов в сверхпроводниковом квантовом компьютере увеличится с двух в 2019 г. до 30-50 в 2024 г., количество кубитов в квантом компьютере на нейтральных атомах — с 10 до 100, количество кубитов в квантовом компьютере на ионах — с одного до 55, количество каналов в квантовом компьютере на фотонах — с 10 до 100, количество частиц в квантовом компьютере/симуляторе на поляритонах — с 50 до 1 тыс., количество экспериментов на квантовой облачной платформе — с 0 до 10 тыс.

В сфере квантовых коммуникаций общий объем финансирования составит p11,7 млрд. Из этой суммы федеральный бюджет выделит p6,6 млрд , еще p5,1 млрд выделят внебюджетные источники. В том числе на поддержку отраслевых решений будет направлено p2,8 млрд, на поддержку разработки и внедрения промышленных решений — p1,5 млрд, на поддержку региональных проектов — p1,1 млрд, на поддержку компаний-лидеров — p2,9 млрд.

Единая инфраструктура квантовых вычислений

Дорожная карта предполагает запуск в 2020 г. пилотных проектов по внедрению квантового распределения ключа в пяти крупных компаниях. В 2021 г. должно состояться мультиплексирование квантовой и классической связи, реализация спутниковой квантовой криптографии и реализация экспортного потенциала решений для КРК.

По результатам реализации мероприятий дорожной карты в сфере квантовых коммуникаций общая протяженность соответствующих сетей связи увеличится с 100 км в 2019 г. до 10 тыс. км в 2024 г., количество поддерживаемых портов в сетях «точка-многоточка» — с 24 до 128, предельная дальность вне лаборатории — со 100 км до 250 км, скорость генерации секретного ключа — с 10 до 5 тыс. км (единица измерения — кбит/с на 25 км). Также появится сертификация оборудования.

Оценка целевого состояния субтехнологий квантовых технологий и сроков его достижения

Решения 2 019 2 020 2 021 2 022 2 023 2 024
Квантовые вычисления
Сверхпроводниковые квантовые компьютеры и симуляторы Одиночные кубиты с временами когерентности около 50 микросекунд. Двухкубитные вентили с точностью выполнения двухкубитных операций выше 80% Создание прототипа ионного квантового вычислителя с размером регистра в 5 кубит Квантовый процессор из 5 кубитов с линейной архитектурой Квантовый процессор из 8-12 кубитов с линейной архитектурой. Коррекция однокубитных ошибок Квантовый процессор из 15-20 кубитов. Облачный сервер с внешним доступом к процессору Квантовый процессор из 30-50 кубитов. Двухкубитные вентили с точностью выполнения двухкубитных операций выше 95%. Решение оптимизационной задачи гибридным квантово-классическим методом
Квантовые симуляторы для моделирования линейных спиновых цепочек (модель Изинга) Моделирование магнитного кластера Симулятор на адиабатических квантовых процессах
Квантовые компьютеры и симуляторы на нейтральных атомах Двумерные голографические массивы микроловушек со случайным заполнением, до 50 захваченных одиночных атомов 87Rb, температуры менее 50 мкК Упорядоченные массивы с индивидуальной адресацией. Однокубитные гейты с точностью воспроизведения >0,9 Двухкубитные ридберговские гейты. Трехмерные массивы с индивидуальной адресацией Однокубитные гейты и измерения с точностью воспроизведения >0,99. Двухкубитные ридберговские гейты с точностью воспроизведения >0,9. Реализация вариационных алгоритмов на атомном компьютере с несколькими десятками кубитов Тестовый онлайн доступ к атомному симулятору Полнофункциональный атомный симулятор с >100 кубитами. Квантово-химические расчеты на атомном симуляторе. Атомный регистр, работающий в непрерывном режиме с коррекцией потерь атомов
Охлаждение не менее 1000 атомов тулия до состояния Бозе-Эйнштейновской конденсации Оптические решетки с Бозе-Эйнштейновским конденсатом атомов тулия и продемонстрирована возможность реализации анизотропных взаимодействий с ними Создания многокомпонентных смесей конденсированного состояния на основе различных внутренних состояний атомов тулия Симуляции магнитных фазовых переходов на основе атома тулия
Квантовые компьютеры и симуляторы на основе ионов в ловушках Экспериментально продемонстрирован захват, удержание и лазерное охлаждение одиночных ионов Yb в трехмерной ловушке Пауля и цепочек ионов Yb и Mg в линейной ловушке Пауля Создание прототипа ионного квантового вычислителя с размером регистра в 5 кубит Создание прототипа ионного квантового вычислителя с размером регистра в 5 кубит Разработка и экспериментальная реализация масштабируемой системы оптической адресации для 55 кубит. Разработка линейной ловушки Пауля для одновременного удержания 60 ионов в цепочке к 2022 г. Разработка и создание криогенного массива планарных ловушек для одновременного удержания 55 одиночных ионов. Разработка и создание системы компенсации микродвижений для 55 ионов Разработка программного обеспечения для квантового вычислителя с использованием 55 ионов
Квантовые вычисления на примесных атомы в кремнии Разработка и создание необходимого экспериментального оборудования (комбинированный СТМ/РЭМ микроскоп для работы при Т=100-300 К, модуль кремниевой эпитаксии, в т.ч. поддерживающий эпитаксию изотопически чистого 28Si, литография для создания контактов на чипе, измерительное оборудование). Должны быть задействованы исследовательские институты для проектирования оборудования и коммерческие организации для создания приборов. Разработка поддерживающих технологий: СТМ-литографии, идентификации расположения примесей на атомном уровне в чипе, создания чипов на изотопически чистом 28Si и создания электронных интерфейсов, работающих при низких температурах в сильных магнитных полях для измерения и управления кубитами Создание чипа из одного кубита с измерительными контактами и одноэлектронным транзистором, его измерение и характеризация Начало работы над двухкубитовым элементом квантового компьютера
Квантовые компьютеры и симуляторы на основе фотонов и интегральной оптики Реконфигурируемые интегрально-оптические схемы (10 каналов). Источники квантового излучения: двух- и четырехфотонные источники на базе СПР; источники сжатых состояний света на базе ОПУ; однофотонные источники на базе квантовых точек в микрорезонаторах; детекторы с разрешением по числу фотонов на основе сверхпроводящих нанопроволок. Экспериментальные методы квантовой оптики: квантовые оптические системы с дискретными и непрерывными переменными. Использование различных степеней свободы одного носителя квантовой информации для увеличения размерности доступного гильбертова пространства. Использование высокоразмерных состояний для повышения размерности доступного гильбертова пространства. Проведение теоретических исследований, направленных на повышение вероятности успешного срабатывания линейно- оптических многокубитных гейтов Разработка теоретической модели линейно-оптического квантового компьютера, обладающей пониженной пороговой величиной вероятности успешного срабатывания двухкубитного гейта, достаточной для формирования универсального кластерного состояния. Исследование потенциала модели оптических квантовых вычислений в непрерывных переменных Разработка двухкубитных детерминистически х гейтов с использованием нелинейных на однофотонном уровне элементов Создание оптического квантового процессора (20-25 фотонов, более 100 портов, детекторы одиночных фотонов на чипе). Демонстрация вариационного алгоритма на многкубитном оптического квантовом процессоре
Симуляторы на основе поляритонных конденсатов Демонстрация когерентного состояния 1000 поляритонных конденсатов. Реализация поляритонного кубита на основе кольцевого конденсата Разработанная технология будет перенесена на базу широкозонных полупроводниковых кристаллов, таких, как нитрид галлия и оксид цинка, а также на базу органических соединений. Демонстрация аналогового XY-симулятора, работающего при комнатной температуре. Демонстрация квантового симулятора на системе кольцевых конденсатов
Квантовые методы подавления ошибок Адаптация методов квантовой томографии с гарантированной точностью и SIC-POVM/IC-POVM томографии для квантовых процессов. Создание прототипа программного обеспечения для коррекции ошибок в существующих квантовых компьютерах на основе методов томографии квантовых процессов. Разработка подходов к характеризации экспериментальных шумов в квантовых процессорах Разработка методов машинного обучения для экспериментального контроля систем квантовых вычислений и повышение точности операций. Адаптация разработанных методов под экспериментальные условия разрабатываемых в России экспериментальных платформ Апробация разработанных методов подавления ошибок на эмуляторе квантовых процессоров. Оптимизация методов подавления ошибок по итогам апробации Экспериментальная демонстрация снижения числа ошибок в ходе квантовых операций с использованием разрабатываемых в России экспериментальных платформ. Оптимизация методов подавления ошибок по итогам экспериментальной работы Создание активной системы мониторинга квантовых процессоров на основе подходов томографии с гарантированной точности и/или алгоритмов машинного обучения
Квантовые коды коррекции ошибок Выявление релевантных источников ошибок в существующих квантовых процессорах. Упор в разработке делается на особенности разрабатываемых в России прототипов квантовых вычислительных устройств Моделирование работы квантовых кодов коррекции ошибок на системах из десятков кубит Апробация разработанных кодов коррекции ошибок на эмуляторе квантовых процессоров Экспериментальная демонстрация квантовых кодов коррекции ошибок на различных платформах Оптимизация кодов коррекции ошибок с учетом ограничений существующих платформ
Квантовые алгоритмы Разработка прототипов квантовых алгоритмов и их апробация на квантовом эмуляторе Апробация алгоритмов на эмуляторе квантовых вычислений и выявление точности их реализации с учетом экспериментальных шумов Экспериментальная демонстрация квантовых алгоритмов и сравнение точности их реализации на различных экспериментальных платформах Создание библиотек квантовых алгоритмов и подключение их к облачной платформе для квантовых вычислений
Эмулятор квантовых вычислений Разработка эмулятора квантового процессора размером из 10 кубитов Выявление возможных источников экспериментальных шумов в существующих экспериментальных системах для квантовых вычислений Интеграция эмулятора квантовых вычислений в облачную платформу для квантовых вычислений. Разработка эмулятора квантового процессора размером из 20 кубитов. Использование эмулятора для тестирования (сравнения, анализа) квантовых алгоритмов и методов подавления ошибок Использование эмулятора для тестирования квантовых кодов коррекции ошибок Разработка методов сравнения эмулятора квантовых компьютеров с различными экспериментальным и платформами
Облачная платформа для квантовых вычислений Тестовый запуск платформы с эмулятором Тестовый запуск платформы с атомным вычислителем и сверхпроводниковым симулятором В облачную платформу интегрированы все доступные квантовые вычислительные устройства (российские и зарубежные), а также эмулятор для квантовых вычислений Платформа реализует доступ к 3-5 и эмулятору. К платформе подключены 10-50 разработчиков и проводится более 10 000 экспериментов в год
Квантовые коммуникации
Постквантовая криптография Продукт: средства автоматизированного аудита информационной безопасности Продукт: библиотека и software development kit (SDK) постквантовых алгоритмов Продукт: постквантовая электронная подпись и токены для ее реализации Продукт SDK постквантовых алгоритмов с поддержкой гомоморфного шифрования
Квантовое распределение ключей точка-точка Первые внедрения имеющихся разработок Продукт следующего поколения решений «точка-точка». Расстояния до 150 км. При скорости генерации 1 кбит/с и 100 кбит/с на расстоянии 25 км Продукты на расстояния до 200 км. Продукт, обеспечивающий мультиплексирован ие квантовых и информационных каналов (xWDM) на топологии «точка-точка». Дальность не менее 50 км при скорости КРК не менее 1 кбит/с. Скорость информационного канала: не менее 10 Гбит/с. Количество каналов: до 30 информационных, 1 квантовый Рост объемов до 100-150 устройств в год, продукт «точка-точка». Расстояния до 150 км. При скорости генерации 10 кбит/с и 5 Мбит/с на расстоянии 25 км Рост объемов производства до сотен устройств в год Продут КРК на непрерывных переменных с себестоимостью пары приемник-передатчик до 600 000 тыс. руб.
Квантовые сети на основе доверенных узлов Построена опытная сеть Построена сеть масштаба Москва-Тверская область Построена сеть Москва-Санкт Петербург. 50 потребителей КРК. Продукт клиент-сервер с недорогим клиентом для сетей типа звезда. Одновременное подключение до 64 абонентов на расстоянии до 50 км, на 64 линиях по 25 км. Сервер вырабатывает суммарный объем ключей 16 кбит/с Более 150 потребителей КРК Построена сеть Москва-Нижний Новгород. Более 600 потребителей КРК Общая протяженность квантовых сетей превышает 10 000 км. Продукт КРК клиент-сервер на волноводных чипах с передатчиком размеров порядка сотового телефона
Квантовые сети на основе не доверенных узлов Выбор протокола и построение теоретической модели Лабораторная демонстрация отдельных модулей системы с одним не доверенным узлом. Строительство лаборатории квантовой памяти Лабораторный эксперимент по определению параметров компонентов квантовой памяти Продукт КРК не зависящее от доверия серверу и реализации детекторов (MDI QKD), подключение до 64 пользователей на расстоянии до 100 км и суммарной скоростью генерации ключей сервера не менее 10 кбит/с Прототип квантового повторителя до 2028 г. Повторитель с памятью до 2030 г.
КРК в открытом пространстве для спутниковых решений и беспилотных средств Разработка наземного модуля приема для работы с передатчиком Прототип спутникового передатчика Технологический образец спутникового передатчика Продукт атмосферной КРК, интегрированной в классический лазерный канал связи на расстояния 1-50 км. Со скоростью 10 кбит/с на 50 км Летный образец, запуск. Продукт КРК для беспилотных средств со скоростью 10 кбит/с на расстояния до 1 км Эксплуатация спутника, создание орбитальной группировки
Квантовые сенсоры и метрология
Оптические квантовые часы Разработка и изготовление макетов транспортируемых ультрастабильных оптических резонаторов
Разработка и изготовление макетов диодных лазеров и удвоителей частоты устойчивых к воздействию внешних факторов (изменение температуры, вибрации)
Разработка и изготовление макетов компактных оптических схем для охлаждения атомов и манипуляции их квантовыми состояниями с низкой чувствительностью к вибрациям
Разработка интегрированной системы управления и питания для транспортируемых оптических стандартов частоты
Модернизация оптических гребенок частот
Разработка интегральной схемотехники и оптики для радиочастотного стандарта на нейтральных атомах
Создание в России транспортируемого оптического стандарта частоты на холодных атомах
Изготовление транспортируемого оптического стандарта на одиночных ионах
Организация мелкосерийного производства радиочастотного стандарта на нейтральных атомах
Гравиметры/акселеромет ры на атомах рубидия Реализация субдоплеровского охлаждения атомов рубидия, достижение температуры в 10 мкК, реализация подбрасывания облака атомов на высоту 1 см Реализация гравиметра фонтанного типа на Бозе-конденсате атомов рубидия с характеристикой чувствительности 25 мкГал/Гц^1/2
Гироскоп на ансамбле спинов в твердом теле Экспериментальный образец гироскопа со спектральной чувствительностью 10 град/корень(час) Компактный гироскоп со спектральной чувствительностью 0,1 град/корень(час)
Локальные сенсоры магнитного поля и температуры на NV – центрах Создание нескольких научных групп, обладающих опытом роста монокристаллических алмазных пластин, экспериментальной квантовой сенсорики и программирования для уникальныхзадач квантовых сенсоров Создание прототипа универсального локального квантового магнитометра с чувствительностью 100 нТ/Гц^1/2 с пространственным разрешением 2 мкм, и динамическим диапазоном 2000 мкТ Разработка системы для расширения динамического диапазона локального магнитометра до 5000 мкТ Разработка оптической системы, позволяющей достичь пространственного разрешения 500 нм Увеличение чувствительности прототипа локального магнитометра до 10 нТ/Гц^1/2 к 2024 г. Создание технологического задела для компактизации прототипа локального магнитометра на базе монокристаллическ их алмазных пластин, легированных дельта слоями азота
Локальные сенсоры магнитного, электрического полей и температуры на центрах окраски Налаживание связей между головной организацией-производителем и научными центрами, которые будут заниматься приложениями и разработкой вторичных технологий, фирмами-производителями магнитометров, произвести поиск площадок для испытаний как самого датчика, так и конкретных устройств, для которых он будет использоваться. Данный этап не требует инвестиций. Дополнительно на первом этапе необходимо продолжать осуществление научно-технологической деятельности для достижения максимальных технических параметров универсального сенсора, позволяющих использовать сенсор в задачах магнитоэнцефалографии и магнитных нейроинтерфейсов Запуск и инвестирование R&D проектов на базе магнитометрии. Помимо этого, потребуется создание мелкосерийного производства универсальных датчиков магнитных полей. Мелкие серии могут быть выпущены на базе уже существующих производственных мощностей без какой- либо их модернизации Пробная установка, тестирование и оценка получившихся прикладных решений для определения приоритетов дальнейшего развития продукта Полноценный разворот производства и наиболее успешных и перспективных технологических решений, основанных на магнитометрии и универсальных датчиках магнитного поля, которые для них необходимы
Плазмонные биосенсоры на основе 2D материалов Наличие научных исследований по оптимизации биосенсоров Создание прототипов биосенсоров, заточенных под актуальные задачи биомедицинских исследований Тестирование приборов с целью их оптимизации, а также создания «коробочного» решения Серийное производство нескольких моделей сенсоров на поверхностных волнах, заточенных под актуальные задачи биомедицинских исследований
Спинтронные сенсоры Экспериментальная демонстрация выпрямления слабых СВЧ-сигналов магнитным туннельным контактом Отработка индустриальной производственной реализации магнитных туннельных контактов для выпрямления слабых СВЧ-сигналов Экспериментальная реализация спинтронного детектора СВЧ, основанного на спин-орбитальных эффектах Экспериментальное исследование квантовой динамики намагниченности в ферромагнитной квантовой точке Создание промышленного приема-передачи энергии с помощью спинтронной элементрой базы, выполненной на промышленном уровне. Работы по практическому внедрению таких систем впромышленный и медицинский интернет вещей Коммерциализация продуктовой линейки спинтронных устройств беспроводного энергоснабжения для сенсорных систем. Демонстрация основных элементов функционирования квантового спинтронного сенсора, основанного на квантовой спиновой динамике в магнитной квантовой точке
Теоретическое исследование квантовой динамики намагниченности в ферромагнитной квантовой точке. Оценка основных параметров такой системы Теоретическое исследование параметров спинтронного детектора СВЧ, основанного на спин-орбитальных эффектах Демонстрация приема-передачи энергии с помощью спинтронной элементрой базы, выполненной на промышленном уровне Лабораторный прототипа спинтронного детектора СВЧ, основанного на спин-орбитальных эффектах и использующий квантовые материалы
Исследование возможности использования квантовых материалов (топологических изоляторов) для детектирования слабых СВЧ-сигналов
Твердотельные фотоумножители Проработка предпродуктовой партии фотодетекторов для LiDAR. Фиксация достигнутых параметров, тестирование фотодетекторов и сравнение с конкурентными аналогами в области приложения LiDAR Демонстрация преимуществ созданного детектора: сравнение с конкурентными аналогами при исползовании стендов, эмулирующих работу систем типа LiDAR, 3D-камера, дальномер. Сборинформации и составление технического задания для разработки детектора применительно к задачам оптическая связь и биомедицина Продажа первых партий фотоумножителей для применений в области LiDAR. Перенос технологии изготовления фотодетекторов для LiDAR на российский фаб Проработка пред-продуктовой партии фотодетекторов для оптической связи и биомедицины Запуск первых продуктовых партий приборов на зарубежных фабах для применения области оптическая связь, биомедицина и спектроскопия Продажа первых партий фотоумножителей для применений в области оптическая связь, биомедицина и спектроскопия
Запуск первых продуктовых партий приборов на зарубежных фабах для применения в области LiDAR Фиксация достигнутых параметров, тестирование флтодетекторов и сравнение с конкурентными аналогами в этих областях приложения
Запуск R&D партий приборов на зарубежных фабах для применения в областях оптическая связь и биомедицина Сбор информации и составление технического задания на изготовление детектора для выхода на рынки применительно к спектроскопии
Спектрограф с использованием двойной оптической гребенки Создание экспериментальных стендов, демонстрация источников двойных оптических гребенок и спектроскопии на их основе Демонстрация компактных источников двойных оптических гребенок Демонстрация спектроскопии релевантных веществ с помощью компактного устройства

В сфере квантовых сенсоров и метрологии объем финансирования составит p7,5 млрд. Большую часть данной суммы — p7 млрд — выделит федеральный бюджет, оставшиеся p500 млн будут взяты из внебюджетных источников. В том числе на грантовую поддержку организаций планируется направить p2 млрд, на поддержку программ деятельности ЛИЦ — p1 млрд, на поддержку отраслевых решений — p1,5 млрд, на поддержку разработки и внедрения отраслевых решений — p2 млрд, на поддержку компаний-лидеров — p1 млрд.

Критические точки квантовых технологий — решения на стадии разработки

Решение Принципиальное решение Развитие НИР Прототип Развитие технологии Коммерциализация
Квантовые вычисления
Сверхпроводниковые квантовые компьютеры и симуляторы. Огранизационные предпосылки: запуск комплексного проекта Одиночные кубиты с временами когерентности около 50 микросекунд Одиночные кубиты с временами когерентности 50-100 мкс.
Двухкубитные вентили с точностью выполнения двухкубитных операций выше 80% Двухкубитные вентили с точностью выполнения двухкубитных операций выше 95%.
Квантовый процессор из 5 кубитов с линейной архитектурой. Квантовый процессор из 30-50 кубитов
Коррекция однокубитных ошибок. Квантовые симуляторы для моделирования линейных спиновых цепочек (модель Изинга) Облачный сервер с внешним доступом к процессору Решение оптимизационной задачи гибридным квантово-классическим методом
Моделирование магнитного кластера Симулятор адиабатических квантовых процессах
Квантовые компьютеры и симуляторы на основе ионов в ловушках. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Захват, удержание и лазерное охлаждение одиночных ионов Yb в трехмерной ловушке Пауля и цепочек ионов Yb и Mg в линейной ловушке Пауля Масштабируемая система оптической адресации для 55 кубит Криогенный массив планарных ловушек для одновременного удержания 55 одиночных ионов
Линейная ловушка Пауля для одновременного удержания 60 ионов в цепочке Система компенсации микродвижений для 55 ионов Ионный квантовый вычислитель с размером регистра в 5 кубит ПО для квантового вычислителя с использованием 55 ионов
Квантовые компьютеры и симуляторы на нейтральных атомах. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Однокубитные гейты с точностью воспроизведения >0,9 Однокубитные гейты и измерения с точностью воспроизведения >0,99
Двухкубитные ридберговские гейты Двухкубитные ридберговские гейты с точностью воспроизведения >0,9
Двумерные голографические массивы микроловушек со случайным заполнением, до 50 захваченных одиночных атомов 87Rb, температуры менее 50 мкК Упорядоченные массивы с индивидуальной адресацией Трехмерные массивы с индивидуальной адресацией
Тестовый онлайн доступ к атомному симулятору Полнофункциональный атомный симулятор с >100 кубитами. Квантово-химические расчеты на атомном симуляторе
Охлаждение не менее 1000 атомов тулия до состояния Бозе-Эйнштейновской конденсации Оптические решетки с Бозе-Эйнштейновским конденсатом атомов тулия и продемонстрированной возможностью реализации анизотропных взаимодействий с ними Многокомпонентные смеси конденсированного состояния на основе различных внутренних состояний атомов тулия Симуляции магнитных фазовых переходов на основе атома тулия
Квантовые вычисления на примесных атомы в кремнии. Организационные: запуск комплексного проекта. Разработка и создание необходимого экспериментального оборудования. Разработка поддерживающих технологий Создание чипа из одного кубита с измерительными контактами и одноэлектронным транзистором, его измерение и характеризация
Симуляторы на основе поляритонных конденсатов. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Демонстрация когерентного состояния 1000 поляритонных конденсатов. Реализация поляритонного кубита на основе кольцевого конденсата. Демонстрация аналогового XY-симулятора, работающего при комнатной температуре.
Демонстрация квантового симулятора на системе кольцевых конденсатов
Квантовые компьютеры и симуляторы на основе фотонов и интегральной оптики. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Реконфигурируемые интегрально-оптические схемы (10 каналов)
Источники квантового излучения: двух- и четырехфотонные источники на базе СПР; источники сжатых состояний света на базе ОПУ; однофотонные источники на базе квантовых точек в микрорезонаторах Квантовые оптические системы с дискретными и непрерывными переменными. Детекторы с разрешением по числу фотонов на основе сверхпроводящих нанопроволок.
Использование высокоразмерных состояний и различных степеней свободы одного носителя квантовой информации для увеличения размерности доступного гильбертова пространства.
Теоретическая модель линейно-оптического квантового компьютера, обладающей пониженной пороговой величиной вероятности успешного срабатывания двухкубитного гейта, достаточной для формирования универсального кластерного состояния Двухкубитные детерминистические гейты с использованием нелинейных на однофотонном уровне элементов Оптический квантовый процессор (20-25 фотонов, более 100 портов, детекторы одиночных фотонов на чипе) Демонстрация вариационного алгоритма на многкубитном оптического квантовом процессоре
Квантовые методы подавления ошибок. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Прототип программного обеспечения для коррекции ошибок в существующих квантовых компьютерах на основе методов томографии квантовых процессов. Экспериментальная демонстрация снижения числа ошибок в ходе квантовых операций с использованием разрабатываемых в России экспериментальных платформ.
Методы машинного обучения для экспериментального контроля систем квантовых вычислений, повышение точности операций и их апробация на квантовом эмуляторе Активная система мониторинга квантовых процессоров на основе подходов томографии с гарантированной точностью и/или алгоритмов машинного обучения
Квантовые коды коррекции ошибок. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Моделирование работы квантовых кодов коррекции ошибок на системах из десятков кубит Апробация разработанных кодов коррекции ошибок на эмуляторе квантовых процессоров Экспериментальная демонстрация квантовых кодов коррекции ошибок на различных платформах Оптимизация кодов коррекции ошибок с учетом ограничений существующих платформ
Квантовые алгоритмы. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Экспериментальная демонстрация квантовых алгоритмов и сравнение точности их реализации на различных экспериментальных платформах Библиотеки квантовых алгоритмов Подключение библиотек к облачной платформе для квантовых вычислений
Эмулятор квантовых вычислений. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Эмулятор квантового процессора размером из 10 кубитов Эмулятор квантового процессора размером из 20 кубитов
Интеграция эмулятора квантовых вычислений в облачную платформу для квантовых Использование эмулятора для тестирования квантовых алгоритмов и методов подавления ошибок
Тестовый запуск платформы с эмулятором
Облачная платформа для квантовых вычислений. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Тестовый запуск платформы с атомным вычислителем и сверхпроводниковым симулятором Интеграция всех доступных квантовых вычислительных устройств (российских и зарубежных), а также эмулятора для квантовых вычислений Платформа реализует доступ к 3-5 и эмулятору. К платформе подключены 10-50 разработчиков и проводится более 10 000 экспериментов в год
КВАНТОВЫЕ СЕНСОРЫ И МЕТРОЛОГИЯ
Гравиметры/акселерометры на атомах рубидия. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Реализация субдоплеровского охлаждения атомов рубидия, достижение температуры в 10 мкК, реализация подбрасывания облака атомов на высоту 1 см. Гравиметр фонтанного типа на Бозе-конденсате атомов рубидия с характеристикой чувствительности 25 мкГал/Гц^1/2
Оптические квантовые часы. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Макеты транспортируемых ультрастабильных оптических резонаторов
Макеты диодных лазеров и удвоителей частоты устойчивых к воздействию внешних факторов (изменение температуры, вибрации)
Макеты компактных оптических схем для охлаждения атомов и манипуляции их квантовыми состояниями с низкой чувствительностью к вибрациям Интегрированная система управления и питания для транспортируемых оптических стандартов частоты
Модернизация оптических гребенок частот Интегральная схемотехника и оптика для радиочастотного стандарта на нейтральных атомах Транспортируемый оптический стандарт частоты на холодных атомах Радиочастотный стандарт на нейтральных атомах
Транспортируемый оптический стандарт на одиночных ионах
Гироскоп на ансамбле спинов в твердом теле. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Экспериментальный образец гироскопа со спектральной чувствительностью 10 град/корень(час) Компактный гироскоп со спектральной чувствительностью 0,1 град/корень(час)
Плазмонные биосенсоры на основе 2D материалов. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Прототипы биосенсоров, заточенные под актуальные задачи биомедицинских исследований Создание «коробочного» решения Серийное производство нескольких моделей сенсоров на поверхностных волнах
Локальные сенсоры магнитного, электрического полей и температуры на центрах окраски
Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта. Запуск и инвестирование R&D проектов на базе магнитометрии Тестирование и оценка прикладных решений для определения приоритетов дальнейшего развития продукта Мелкосерийное производство наиболее перспективных технологических решений, основанных на магнитометрии и универсальных датчиках магнитного поля
Налаживание мелкосерийного производства универсальных датчиков магнитных полей
Спектрограф с использованием двойной оптической гребенки. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта. Создание экспериментальных стендов Демонстрация источников двойных оптических гребенок и спектроскопии на их основе Демонстрация компактных источников двойных оптических гребенок. Демонстрация спектроскопии релевантных веществ с помощью компактного устройства
Локальные сенсоры магнитного поля и температуры на NV-центрах. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Прототип универсального локального квантового магнитометра с чувствительностью 100 нТ/Гц^1/2 с пространственным разрешением 2 мкм, и динамическим диапазоном 2000 мкТ. Увеличение чувствительности прототипа локального магнитометра до 10 нТ/Гц^1/2
Создание нескольких научных групп, комбинирующих специфические знания и навыки Система для расширения динамического диапазона локального магнитометра до 5000 мкТ Оптическая система, позволяющей достичь пространственного разрешения 500 нм
Твердотельные фотоумножители. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Демонстрация преимуществ детектора для рынка LiDAR: сравнение с конкурентными аналогами . Продажа партий фотоумножителей для применений в области LiDAR. Перенос технологии изготовления фотодетекторов для LiDAR на российский фаб
Запуск R&D партий приборов на зарубежных фабах для применения в областях оптическая связь и биомедицина Запуск первых продуктовых партий приборов на зарубежных фабах для применения в области оптической связи, биомедицины и спектроскопии
Спинтронные сенсоры. Организационные предпосылки: запуск комплексного проекта Экспериментальная демонстрация выпрямления слабых СВЧ сигналов магнитным туннельным контактом Отработка индустриальной производственной реализации магнитных туннельных контактов для выпрямления слабых СВЧ сигналов Спинтронный детектор СВЧ, основанный на спин-орбитальных эффектах Промышленный прием-передача энергии с помощью спинтронной элементной базы Продуктовая линейка спинтронных устройств беспроводного энергоснабжения для сенсорных систем
Теоретическое исследование квантовой динамики намагниченности в ферромагнитной квантовой точке Экспериментальное исследование квантовой динамики намагниченности в ферромагнитной квантовой точке Демонстрация основных элементов квантового спинтронного сенсора, основанного на квантовой спиновой динамике в магнитной квантовой точке
Исследование возможности использования квантовых материалов (топологических изоляторов) для детектирования слабых СВЧ сигналов Лабораторный прототип спинтронного детектора СВЧ, основанного на спин-орбитальных эффектах и использующий квантовые материалы.

Согласно дорожной карте, в 2019 г. состоится демонстрация прототипов квантовых сенсоров для индустрии, в 2021 г. — тестировании сенсоров в реальных условиях, в 2023 г. — внедрение в интернет вещей и медицину, а в 2024 г. будет запущено мелкосерийное производство.

Критические точки квантовых технологий — решения на стадии внедрения

Решение Продукт Текущий статус Развитие технологии (поколения продукта) Развитие рынка Смежные технологии
Квантовые коммуникации
Постквантовая криптография Средства автоматизированного аудита информационной безопасности. Одиночные кубиты с временами когерентности около 50 микросекунд В разработке
Библиотека и software development kit (SDK) постквантовых алгоритмов В разработке SDK постквантовых алгоритмов с поддержкой гомоморфного шифрования Постквантовая электронная подпись и токены для ее реализации
Квантовые сети Квантовое распределение ключей «точка-точка» Первые внедрения имеющихся разработок КРК «точка-точка» Расстояния до 150 км. при скорости генерации 1 кбит/с и 100 кбит/с на расстоянии 25 км. Расстояния до 200 км. Продукт, обеспечивающий мультиплексирование квантовых и информационных каналов (xWDM) на топологии «точка-точка» дальностью не менее 50 км при скорости КРК не менее 1 кбит/с., скорость информационного канала: не менее 10 Гбит/с., до 30 информационных + 1 квантовый канал. Расстояния до 150 км при скорости генерации 10 кбит/с и 5 Мбит/с на расстоянии 25 км Рост объемов до 100-150 устройств в год. Рост объемов производства до сотен устройств в год. Снижение себестоимости на 30%. Отечественные производители сертифицированы по первому стандарту. Отечественные производители сертифицированы по международному стандарту Первый отечественный стандарт, сертификационная лаборатория и, как минимум, два поколения стандартов сертификации. Продут КРК на непрерывных переменных с себестоимостью пары приемник-передатчик до 600 000 тыс. руб.
Квантовые сети на основе доверенных узлов Построена опытная сеть на основе доверенных узлов Построена сеть масштаба Москва-Тверская область. Построена сеть Москва-Санкт Петербург. Построена сеть Москва-Нижний Новгород. Общая протяженность квантовых сетей превышает 10 000 км. Регуляторные требования к доверенному узлу. Одновременное подключение до 64 абонентов на расстоянии до 50 км. На 64 линиях по 25 км. Сервер вырабатывает суммарный объем ключей 16 кбит/с50 потребителей КРК. Более 150 потребителей КРК. Более 600 потребителей КРК Продукт клиент-сервер с недорогим клиентом для сетей типа звезда. Продукт КРК клиент-сервер на волноводных чипах с передатчиком размеров порядка сотового телефона
Квантовые сети на основе не доверенных узлов Выбор протокола и построение теоретической модели Лабораторная демонстрация отдельных модулей системы с одним не доверенным узлом. Продукт КРК не зависящее от доверия серверу и реализации детекторов (MDI QKD), подключение до 64 пользователей на расстоянии до 100 км и суммарной скоростью генерации ключей сервера не менее 10 кбит/с Лабораторный эксперимент по определению параметров компонентов квантовой памяти Строительство лаборатории квантовой памяти
КРК в открытом пространстве для спутниковых решений и беспилотных средств КРК в открытом пространстве для спутниковых решений и беспилотных средств Разработка наземного модуля приема для работы с передатчиком Прототип спутникового передатчика. Технологический образец спутникового передатчика. Продукт атмосферной КРК, интегрированной в классический лазерный канал связи на расстояния 1 — 50 км. Со скоростью 10 кбит/с на 50 км. Продукт КРК для беспилотных средств со скоростью 10 кбит/с на расстояния до 1 км. Запуск спутника с КРК, совмещающая лазерную связь 1-10 Гбит/с и КРК со скоростью генерации 1-10 кбит/с Эксплуатация спутника, создание орбитальной группировки

По результатам реализации мероприятий дорожной карты в сфере квантовых сенсоров и метрологии количество типов промышленных образцов квантовых сенсоров увеличится с двух в 2019 г. до шести в 2024 г., среднее квадратическое относительное двухвыборочное отклонение измеренного значения меры частоты за интервал 10 часов изменится с 10^-16 до 10^-18, а пространственное разрешение сенсоров на центрах окраски измениться с 10 мкм до 0,5 мкм.

Уровень развития решений квантовой сенсорики

No п/п Направление развития Уровень развития в РФ Уровень развития в мире
1 Оптические атомные часы TRL 2-4. В России в данном направлении работают несколько групп: ВНИИФТРИ (Sr), ФИАН (Тm, Yb+, Аl+), ИЛФ СО РАН (Yb+/), РКЦ. Связанные исследования, направленные на прецизионные измерения с помошью холодных атомов и ионов, также ведутся в ИФП СО РАН, ИФВЭ РАН, ИЛФ РАН и ряде других институтов. Исследования носят пока, в основном, фундаментальный характер TRL 5-7. Передовые научные группы, занимающиеся разработкой оптических реперов частоты, находятся в институтах NIST (США), РТВ (Германия), RIKEN (Токио) и др., где созданы оптические реперы частоты на основе Yb, Yb+, Sr, Аl+, достигающие уровня относительной неточности и нестабильности 10^18
2 Гравиметры/акселерометры на атомах рубидия TRL 1. В России данная тематика развита слабо и в настоящий момент неизвестно об экспериментальных разработках в этой области. С 2017 г. во ВНИИФТРИ ведутся работы по созданию отечественного образца атомного гравиметра на атомах рубидия, но результаты этих работ пока не представлены. В институтах РФ имеется задел под развитие тематики атомных интерферометров TRL 4-5. Известны проекты NASA и ESA по первым применениям гироскопов на холодных атомах в космосе. Существуют коммерческие образцы атомных гравиметров в США (AOSense, ColdQuanta) и Франции (Muquans). Лучшие лабораторные образцы могут иметь и в несколько раз лучшие характеристики
3 Гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле TRL 2-3. В России также ведутся работы по созданию квантовых гироскопов на нупентрах, например, в лабораториях ФИАН, ИТМО, МГУ, РКЦ и др. TRL 2-3. В 2012 г. в Массачусетском технологическом институте (группа Паолы Капелларо) была предложена концепция квантового гироскопа на NV-центрах, измеряющего угловую скорость вращения с точностью 0,5 (мград/с)/(Гц) при размере чувствительного элемента 1 мм3. Миниатюризация является прорывом при создании гироскопов
4 Локальные сенсоры магнитного, электрического полей и температуры на центрах окраски TRL 3-4. В России в ИПФ РАН разработана технология легирования монокристалла алмаза азотом в дельта-слоях (толщиной несколько нм), открывающая возможности создания универсального устройства для локальной магнитометрии, используя, например, технологический задел ФИАН, где проводятся исследования NV-центров. В МГУ ведутся разработки по созданию твердотельных наноразмерных сенсоров на основе одноатомных структур TRL 5-6. На данный момент технология начинает выходить из лаборатории на рынок, в частности на базе работ ученых из Гарварда была создана компания Quantum DiamondTechnologies, получающая финансирование от Национального Института Стандартов и Технологий (NIST) и фонда DARPA на создание нового поколения аналитического оборудования для задач биологии, медицины и материаловедения
5 Датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах TRL 3-4. В РФ аналогичные работы ведут в ИЗ МИР АН, где тестируются устройства на пригодность для сверхточного магнитного неразрушаюшего контроля коррозии металлов. Также в РКЦ разрабатывается сенсор с уровнем чувствительности в 100 фТл в полосе от 0,1 Гц TRL 6-7. В Японии (Нагойский Университет) совершенствуют технологию сенсоров, использующих аморфные стержни из ферромагнитных металлов (Ni,Co,Fe) и работающих на эффекте Гигантского Магнитного Импеданса (ГМИ), лежащего в основе классических твердотельных магнитометров, изготовляемых с середины 1990-х годов
6 Спинтронные сенсоры TRL 1-2. В России работы по квантовой спинтронике на данный момент носят в основном теоретический характер TRL 3-4. В мире разработкой квантовых спинтронных устройств занимаются крупные производители электроники: Hitachi, Samsung, LG и другие. Пока все разработки ведутся в лабораториях
7 Магнитоплазмонные сенсоры TRL3-4. В России масштабное серийное производство сенсоров на поверхностных волнах отсутствует, однако изготавливаемые образцы демонстрируют значительное преимущество перед известными аналогами TRL 8-9. В настоящее время плазмонные сенсоры представлены на рынке следующими компаниями: Biacore, GWCTechnologies Inc., Lumera, IBISTechnologies, SPRi-Array
8 Твердотельные фотоумножители TRL 4-5. В России в настоящее время разработка субтехнологии твердотельных фотоумножителей находится на уровне технологической готовности между 4 и 5 в зависимости от области применения TRL 9. Лидерами на рынке являются компании Hamamatsu Photonics (Япония) и Sensl (Ирландия). Компания Hamamatsu занимает до 70% рынка
9 Спектрограф с использованием двойной оптической гребенки TRL 4 В настоящее время в РФ ведутся экспериментальные исследования, проводятся измерения долговременной стабильности источников двойной оптической гребенки и изучается возможность их компактного изготовления. Решение отличает средний уровень готовности TRL 4. TRL 4-5. В мире также проводятся первые эксперименты по генерации двойных оптических гребенок из микрорезонаторов и их применение для спектроскопии. Конечных готовых компактных устройств, работающих по данному методу, в мире нет

Образование и наука для квантовых технологий

Помимо затрат на основные мероприятия, дорожная карта предполагает выделение p17,15 млрд на организационные мероприятия. Из этой суммы p14,75 млрд выделит федеральный бюджет, p2,4 млрд будут взяты из внебюджетных источников.

В том числе: p1 млрд будет выделен на организацию профильных спецкурсов в рамках программы школьного образования, кафедр квантовых технологий на базе вузов, а также центров дополнительного образования; p5 млрд на формирование инфраструктуры и комплекса мер поддержка для развития профильных стартапов на территориях российских наукоградов и технопарков; p1 млрд на разработку и реализацию комплексной программы продвижения созданных российскими стартапами продуктов и услуг на внешнем рынке; p1,2 млрд на создание отдельной организационной структуры по управлению дорожной картой; p3,6 млрд на формирование отраслевых проектов.

Кроме того, p500 млн будет направлено на формирование стандартов и верифицированных методик для образовательных курсов в школах, колледжах и вузах; p200 млн — на организацию долгосрочной информационно-просветительной кампании для привлечения отечественных специалистов в российские исследовательские и коммерческие организации; p300 млн — на организацию серии хакатонов с последующим финансированием лучших проектов; p700 млн — на организацию работы межотраслевого центра внедрения квантовых технологий в деятельность отечественных корпораций; p300 млн — на организацию работы межотраслевого центра управления знаниями в формате веб-ресурса, организацию долгосрочной информационно-просветительской кампании для привлечения зарубежных кадров в российские исследовательские и коммерческие организации; p500 млн — на консультативное сопровождение выхода российских профильных предприятий на международный рынок.

Потребности в инвестициях в квантовые технологии

Решение в рамках субтехнологии квантовые вычисления Потребности в инвестициях, включая коммерческое финансирование Целевое состояние к 2024 г.
КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Сверхпроводниковые квантовые компьютеры и симуляторы 2 млрд руб. Квантовый процессор из 30-50 кубитов. Решение оптимизационной задачи гибридным квантово-классическим методом. Квантовый симулятор для расчет магнитных свойств и фазовых переходов для задач моделирования новых перспективных материалов.
Квантовые компьютеры и симуляторы на нейтральных атомах 1,6 млрд руб. Полнофункциональный атомный вычислитель с более, чем 100 кубитами. Решение оптимизационной задачи гибридным квантово-классическим методом. Квантово-химические расчеты на атомном симуляторе. Моделирование квантовых фазовых переходов для создания новых перспективных материалов.
Квантовые компьютеры и симуляторы на основе ионов в ловушках 1,5 млрд руб. Ионный вычислитель с использованием 55 ионов. Моделирование фазовых переходов и новых материалов.
Квантовые компьютеры и симуляторы на основе фотонов и интегральной оптики 1 млрд руб. Создание оптического квантового процессора (20-25 фотонов, более, чем 100 портов, детекторы одиночных фотонов на чипе). Демонстрация вариационного алгоритма.
Симуляторы на основе поляритонных конденсатов 1,1 млрд руб. Решение оптимизационных и симуляционных задач.
Квантовые вычисления на примесных атомах и квантовых точках в кремнии Атомы: 3 млрд руб. Точки: 1 млрд руб. Начало работы над двухкубитовым элементом квантового компьютера.
Квантовые методы подавления ошибок 350 млн руб. Создание активной системы мониторинга квантовых процессоров на основе подходов томографии с гарантированной точности и/или алгоритмов машинного обучения
Квантовые коды коррекции ошибок 400 млн руб. Оптимизация кодов коррекции ошибок с учетом ограничений существующих платформ
Квантовые алгоритмы 350 млн руб. Создание библиотек квантовых алгоритмов и подключение их к облачной платформе дтя квантовых вычислений
Эмулятор квантовых вычислений 450 млн руб. Разработка методов сравнения эмулятора квантовых компьютеров с различными экспериментальными платформами
Облачная платформа для квантовых вычислений 450 млн руб. Платформа реализует доступ к 3-5 и эмулятору. К платформе подключены 10-50 разработчиков и проводится более 10 000 экспериментов в год.
Поддерживающие технологии 2 млрд руб. Развитие технологий для квантовых вычислений
Итого: 15,2 млрд руб.
КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ
Квантовое распределение ключей точка-точка 2,8 млрд руб. (100% в существующих программах НИОКР) Направление имеет две цели, краткосрочную и долгосрочную: в 2020 г. необходимо представить серийное производство устройств точка-точка для строительства квантовых сетей; в 2022 г. необходимо представить набор решений, не уступающих по техническим характеристикам международным решениям.
Квантовые сети на основе доверенных узлов 4,9 млрд руб. (50% государственного финансирования) Топ-300 компаний экономики использует технологию. 2024-2029 гг.: использование квантовых ключей средним бизнесом (зависит от внедрения продукта клиент-сервер)
Квантовые сети на основе не доверенных узлов 1,7 млрд руб. (80% государственного финансирования) 2023 г.: вывести на рынок продукт с одним не доверенным узлом. 2028 г.: прототип квантового повторителя. 2030 г.: коммерческое решение квантовых сетей с не доверенными узлами на основе квантовых повторителей
КРК в открытом пространстве для спутниковых решений и беспилотных средств 1,4 млрд руб. (70% государственного финансирования) 2024 г.: Эксплуатация спутника квантовой криптографии. 2028 г.: Начало оснащения беспилотных средств решениями КРК по открытому пространству.
Постквантовая криптография 0,4 млрд руб. 2020 г.: Коммерциализация первых продуктов. 2022 г.: Коммерциализация постквантовых алгоритмов.
(50% государственного финансирования) 2024 г.: Коммерциализация постквантовых алгоритмов с поддержкой гомоморфного шифрования
Итого: 11,2 млрд руб.
КВАНТОВЫЕ СЕНСОРЫ И МЕТРОЛОГИЯ
Оптические атомные часы 1,1 млрд руб. Вывод имеющихся технологий по высокопрецизионным часам на TRL 9. Реализация коммерческой продажи компактных часов как отдельно, так и в рамках навигационных систем.
Гравиметры/акселерометры на атомах рубидия 0,9 млрд руб. Реализация гравиметра фонтанного типа на Бозе-конденсате атомов рубидия с характеристикой чувствительности 25 мкГал/Гц
Гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле 1,5 млрд руб. Компактный гироскоп со спектральной чувствительностью 0,1 град/корень(час) к 2024 г.
Локальные сенсоры магнитного, электрического полей и температуры на центрах окраски 0,75 млрд руб. Чувствительность локального квантового магнитометра — 10 нТ/Гц^1/2. Пространственное разрешение — 500 нм к 2024 г. Динамический диапазон — 5000 мкТ к 2024 г. Создание технологического задела для компактизации прототипа локального магнитометра на базе монокристаллических алмазных пластин, легированных дельта слоями азота.
Датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах 0,62 млрд руб. Чувствительность магнитометра — 20 фТ Гц^1/2. Полноценный разворот производства и наиболее успешных и перспективных технологических решений, основанных на магнитометрии и универсальных датчиках магнитного поля, которые для них необходимы.
Спинтронные сенсоры 0,75 млрд руб. Коммерциализация продуктовой линейки спинтронных устройств беспроводнодного энергоснабжения для сенсорных систем. Демонстрация основных элементов функционирования квантового спинтронного сенсора, основанного на квантовой спиновой динамике в магнитной квантовой точке.
Магнитоплазмонные сенсоры 0,57 млрд руб. Серийное производство нескольких моделей сенсоров на поверхностных волнах, заточенных под актуальные задачи биомедицинских исследований (диагностика, фармацевтика, биомедицинские исследования)
Твердотельные фотоумножители 0,71 млрд руб. Продажа первых партий фотоумножителей для применений в области оптическая связь, биомедицина, спектроскопия
Спектрограф с использованием двойной оптической гребенки из микрорезонаторов 0,6 млрд руб. Проведение быстрой спектроскопии глюкозы в крови — изменение спектра поглощения на 1 дБ
Итого: 7,5 млрд руб.
ВСЕГО: 33,9 млрд руб.

По результатам реализации мероприятий дорожной карты количество публикаций по квантовым технологиям в России увеличится с 560 в 2019 г. до 1,2 тыс. в 2024 г., а количество результатов исследовательской деятельности (РИД) — с 30 до 60.

Читать новость в источнике CNews

0