Рассказывает профессор лаборатории квантовой оптико-терагерцовой фотоники физфака МГУ Галия Китаева.
В чем заключается работа вашей лаборатории?
Наша лаборатория является частью кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ. У нас генерируются коррелированные фотоны – оптический и терагерцовый. Это позволяет исследовать отклик на терагерцовое излучение с помощью оптических методов. Терагерцовый диапазон частот (меньше, чем видимый свет и ИК-излучение, но выше СВЧ) сложен для изучения, там пока нет хороших детекторов. А мы можем регистрировать оптический фотон и таким образом "шпионить" за терагерцовым.
Где это может применяться на практике?
Пока больше всего обсуждается тема просвечивания объектов. В терагерцовых лучах многие материалы прозрачны – кожа, одежда. А вот кости и влажные ткани у людей непрозрачны. Это можно использовать в системах безопасности, для досмотра багажа или для анализа содержимого упаковок без вскрытия, есть очень актуальные биомедицинские приложения. Однако и это не самое важное свойство терагерцового излучения. Очень важны работы по переходу на терагерцовые частоты при построении высокоемких каналов связи. Мы же сейчас начинаем развивать терагерцовую квантовую оптику.
Расскажите об истории лаборатории.
Основателем направления был Давид Николаевич Клышко. Он в 1966 году теоретически предсказал явление спонтанного параметрического рассеяния – генерацию пар коррелированных фотонов. Сначала ему не поверили, но потом эффект был экспериментально обнаружен. Это во многом стало основой для развития современной квантовой оптики и квантовой информатики.
Студенты приходят к нам со 2-3 курса, выполняют курсовые и дипломные работы. Вот, например, Полина, студентка магистратуры, занимается генерацией терагерцового излучения в полупроводниковых пленках и топологических изоляторах. А Сергей, студент 3 курса, исследует новые способы вывода терагерцового излучения с помощью конических призм-каплеров.
Каковы перспективы развития вашего направления?
Мы работаем над созданием новых квантовых технологий на основе коррелированных оптических и терагерцовых фотонов. Это может найти применение в системах квантовой криптографии, связи, квантовой сенсорике. Уже появляются продолжающие наши исследования теоретические работы других авторов по использованию таких корреляций для межспутниковой квантовой связи.
Для наблюдения корреляций между оптическими и терагерцовыми фотонами нам нужен очень чувствительный терагерцовый детектор. Кроме того, важно минимизировать тепловой шум. Поэтому мы охлаждаем кристалл, генерирующий фотоны, до сверхнизкой температуры – 4 градуса Кельвина.
Как достигается такая низкая температура?
Мы используем систему с жидким гелием. Он циркулирует по замкнутому контуру – испаряется, охлаждая кристалл и детектор, затем снова сжижается в специальной установке.
Детектор – это отдельная интересная тема. Мы используем сверхпроводящие детекторы. Сверхпроводимость – это квантовое явление, при котором электрическое сопротивление материала падает практически до нуля. Это позволяет создавать очень чувствительные приборы.
Насколько уникальны ваши исследования?
В области оптико-терагерцовых корреляций мы были первыми в мире. Сейчас есть еще одна группа в Германии, которая работает в этом направлении. Есть теоретики, которые ссылаются на наши эксперименты. Но напрямую наши эксперименты пока никто не повторил – это очень сложная область с множеством технических проблем.
Когда вы начали эти исследования?
Непосредственно корреляции мы начали изучать в 2021 году. Но подготовка шла намного дольше – мы разрабатывали идеи, покупали оборудование, проектировали установку. Сама идея возникла еще в 2017 году.
Одно из важных первых применений наших исследований – калибровка терагерцовых детекторов. С помощью нашего метода мы можем точно определить чувствительность терагерцовых приемников. Это очень важно, так как в терагерцовом диапазоне пока нет легкодоступных эталонных источников излучения.
Как это работает?
Мы генерируем пары коррелированных фотонов – оптический и терагерцовый. Оптический фотон мы регистрируем с очень высокой эффективностью. И когда мы его фиксируем, мы точно знаем, что был и терагерцовый фотон. Сравнивая количество зарегистрированных терагерцовых фотонов с количеством оптических, мы можем определить эффективность терагерцового детектора.
Очень интересное направление – это терагерцовая спектроскопия и визуализация. В терагерцовом диапазоне многие материалы, непрозрачные для видимого света, становятся прозрачными. Это позволяет, например, проводить неразрушающий контроль качества продукции.
А как это связано с вашими исследованиями корреляций?
Использование коррелированных фотонов позволяет значительно повысить чувствительность таких систем. Мы можем детектировать единичные терагерцовые фотоны, что открывает новые возможности для спектроскопии и визуализации.
Расскажите о сотрудничестве с другими научными группами.
Мы активно сотрудничаем с российскими и зарубежными коллегами. У нас есть совместные проекты с Институтом общей физики РАН, с Московским педагогическим государственным университетом, Российским квантовым центром, Курчатовским институтом, Институтом радиотехники и электроники (Фрязино), Южно-Уральским государственным университетом.
Как вы привлекаете молодых ученых в вашу область?
Мы регулярно проводим лекции и семинары для студентов, рассказываем о наших исследованиях. У нас есть специальные курсы по квантовой оптике, физике лазеров, лазерной спектроскопии твердого тела для старшекурсников. Кроме того, мы активно участвуем в научно-популярных мероприятиях, таких как Фестиваль НАУКА 0+.
Какие качества нужны молодому ученому, чтобы успешно работать в вашей области?
Прежде всего, нужен искренний интерес к науке и готовность много учиться. Наша область находится на стыке квантовой механики, оптики и физики твердого тела, поэтому нужна хорошая фундаментальная подготовка. Также важны навыки программирования и работы с современным научным оборудованием.
Поступайте на физфак МГУ! Физика – это круто!