квантовые сенсоры что это

Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии

Квантовые точки — наноматериал с необычайными спектральными характеристиками — найдет применение в молекулярной медицине, биологических исследованиях и даже станет основой наноустройств будущего.

квантовые точки, синтезированные в ИБХ РАН по методике М.В. Артемьева (БГУ, Беларусь)

Автор

Редакторы

Многочисленные спектроскопические методы, появившиеся во второй половине XX века, — электронная и атомно-силовая микроскопии, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрия — казалось бы, давно отправили традиционную оптическую микроскопию «на пенсию». Однако умелое использование явления флуоресценции не раз продляло «ветерану» жизнь. В этой статье речь пойдет про квантовые точки (флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы), вдохнувшие в оптическую микроскопию новые силы и позволившие заглянуть за пресловутый дифракционный предел. Уникальные физические свойства квантовых точек делают их идеальным средством для сверхчувствительной многоцветной регистрации биологических объектов, а также для медицинской диагностики.

В работе даются представления о физических принципах, определяющих уникальные свойства квантовых точек, основных идеях и перспективах использования нанокристаллов и рассказывается об уже достигнутых успехах их применения в биологии и медицине. Статья основана на результатах исследований, проводимых в последние годы в Лаборатории молекулярной биофизики Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова совместно с Реймским Университетом и Белорусским Государственным Университетом, направленных на развитие технологии биомаркеров нового поколения для различных областей клинической диагностики, включая раковые и аутоиммунные заболевания, а также на создание новых типов наносенсоров для одновременной регистрации многих биомедицинских параметров. Первоначальная версия работы была опубликована в «Природе» [1]; до некоторой степени статья основана на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН. — Ред.

Часть I, теоретическая

Рисунок 1. Дискретные уровни энергии в нанокристаллах. «Сплошной» полупроводник (слева) имеет валентную зону и зону проводимости, разделенные запрещенной зоной E_g. Нанокристалл из полупроводника (справа) характеризуется дискретными уровнями энергии, подобными уровням энергии одиночного атома. В нанокристалле E_g является функцией размера: увеличение размера нанокристалла ведет к уменьшению E_g.

Уменьшение размера частицы приводит к проявлению весьма необычных свойств материала, из которого она сделана. Причиной этого являются квантово-механические эффекты, возникающие при пространственном ограничении движения носителей заряда: энергия носителей в этом случае становится дискретной. А число уровней энергии, как учит квантовая механика, зависит от размера «потенциальной ямы», высоты потенциального барьера и массы носителя заряда. Увеличение размера «ямы» ведет к росту числа уровней энергии, которые при этом становятся все ближе друг к другу, пока не сольются, и энергетический спектр не станет «сплошным» (рис. 1). Ограничить движение носителей заряда можно по одной координате (формируя квантовые пленки), по двум координатам (квантовые проволоки или нити) или по всем трем направлениям — это будут квантовые точки (КТ).

Полупроводниковые нанокристаллы являются промежуточными структурами между молекулярными кластерами и «сплошными» материалами. Границы между молекулярными, нанокристаллическими и сплошными материалами не определены с достаточной четкостью; однако диапазон 100 ÷ 10 000 атомов на частицу можно ориентировочно считать «верхним пределом» нанокристаллов. Верхний предел соответствует размерам, для которых интервал между уровнями энергии превышает энергию тепловых колебаний kT (k — постоянная Больцмана, T — температура), когда носители заряда становятся мобильными.

Естественный масштаб длины для электронных возбужденных областей в «непрерывных» полупроводниках определяется радиусом экситона Бора a_x, который зависит от силы Кулоновского взаимодействия между электроном (e) и дыркой (h). В нанокристаллах же величиной порядка a_x сам размер начинает влиять на конфигурацию пары e–h и, следовательно, размер экситона. Получается, что в этом случае электронные энергии непосредственно определяются размером нанокристалла — это явление известно как «эффект квантового ограничения». Используя этот эффект, можно регулировать ширину запрещенной зоны нанокристалла (E_g), просто изменяя размер частицы (таблица 1).

Уникальные свойства квантовых точек

Как физический объект квантовые точки известны довольно давно, являясь одной из интенсивно развиваемых сегодня форм гетероструктур. Особенностью квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов является то, что каждая точка — это изолированный и мобильный объект, находящийся в растворителе. Такие нанокристаллы можно использовать для построения различных ассоциатов, гибридов, упорядоченных слоев и т.п., на основе которых конструируют элементы электронных и оптоэлектронных устройств, пробники и сенсоры для анализов в микрообъемах вещества, различные флуоресцентные, хемилюминесцентные и фотоэлектрохимические наноразмерные датчики.

Причиной стремительного проникновения полупроводниковых нанокристаллов в разнообразные области науки и технологии являются их уникальные оптические характеристики [2], [3]:

Рисунок 2. Спектральные свойства кадмий-селеновых (CdSe) квантовых точек. Слева: Нанокристаллы разных цветов можно возбудить одним источником (стрелкой показано возбуждение аргоновым лазером с длиной волны 488 нм). На врезке — флуоресценция CdSe/ZnS нанокристаллов разных размеров (и, соответственно, цветов), возбуждаемых одним источником света (УФ-лампа). Справа: Квантовые точки чрезвычайно фотостабильны по сравнению с другими распространенными красителями, быстро разрушающимися под лучом ртутной лампы во флуоресцентном микроскопе.

Рисунок 3. Свойства квантовых точек из разных материалов. Сверху: Диапазоны флуоресценции нанокристаллов, изготовленных из разных материалов. Снизу: CdSe квантовые точки разных размеров покрывают весь видимый диапазон 460–660 нм. Снизу справа: Схема стабилизированной квантовой точки, где «ядро» покрыто оболочкой из полупроводника и защитным слоем полимера.

Технология получения

Синтез нанокристаллов осуществляется быстрой инъекцией соединений-предшественников в реакционную среду при высокой температуре (300–350 °С) и последующим медленным ростом нанокристаллов при относительно низкой температуре (250–300 °С). В «фокусирующем» режиме синтеза скорость роста маленьких частиц больше скорости роста больших, в результате чего разброс по размерам нанокристаллов уменьшается [4], [5].

Технология контролируемого синтеза позволяет управлять формой наночастиц, используя анизотропию нанокристаллов. Характерная кристаллическая структура конкретного материала (например, для CdSe характерна гексагональная упаковка — вурцит, рис. 3) опосредует «выделенные» направления роста, определяющие форму нанокристаллов. Так получают наностержни или тетраподы — нанокристаллы, вытянутые в четырех направлениях (рис. 4) [6].

Рисунок 4. Разная форма CdSe нанокристаллов. Слева: CdSe/ZnS нанокристаллы сферической формы (квантовые точки); в центре: стержневидной формы (квантовые стержни). Справа: в форме тетраподов. (Просвечивающая электронная микроскопия. Метка — 20 нм.)

Преграды на пути практического применения

На пути практического применения нанокристаллов из полупроводников групп II–VI стоит ряд ограничений. Во-первых, квантовый выход люминесценции у них существенно зависит от свойств окружающей среды. Во-вторых, стабильность «ядер» нанокристаллов в водных растворах также невелика. Проблема заключается в поверхностных «дефектах», играющих роль безызлучательных центров рекомбинации или «ловушек» для возбужденных e–h пар.

Для преодоления этих проблем квантовые точки заключают в оболочку, состоящую из нескольких слоев широкозонного материала. Это позволяет изолировать e—h пару в ядре, увеличить время ее жизни, уменьшать безызлучательную рекомбинацию, а значит — увеличить квантовый выход флуоресценции и фотостабильность.

В связи с этим, к настоящему времени наиболее широко используемые флуоресцентные нанокристаллы имеют структуру ядро/оболочка (рис. 3). Развитые процедуры синтеза CdSe/ZnS нанокристаллов позволяют достичь квантового выхода 90%, что близко к лучшим органическим флуоресцентным красителям.

Часть II: применение квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов

Флуорофоры в медицине и биологии

Уникальные свойства КТ позволяют использовать их практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов (за исключением только флуоресцентных внутриклеточных меток, экспрессируемых генетически — широко известных флуоресцентных белков [7]).

Для визуализации биологических объектов или процессов КТ можно вводить в объект непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, нанокристаллы разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному (рис. 5) [8], [9]. Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом [10]!

Рисунок 5. Окрашивание объектов. Слева: многоцветное конфокальное флуоресцентное изображение распределения квантовых точек на фоне микроструктуры клеточного цитоскелета и ядра в клетках линии THP-1 фагоцитов человека. Нанокристаллы остаются фотостабильными в клетках в течение как минимум 24 часов и не вызывают нарушений структуры и функции клеток. Справа: накопление нанокристаллов, «сшитых» с пептидом RGD в опухолевой области (стрелка). Правее — контроль, введены нанокристаллы без пептида (CdTe нанокристаллы, 705 нм).

Спектральное кодирование и «жидкие микрочипы»

Как уже указывалось, пик флуоресценции нанокристаллов узок и симметричен, что позволяет надежно выделять сигнал флуоресценции нанокристаллов разных цветов (до десяти цветов в видимом диапазоне). Наоборот, полоса поглощения нанокристаллов широкая, то есть нанокристаллы всех цветов можно возбуждать единым источником света. Эти свойства, а также их высокая фотостабильность, делают квантовые точки идеальными флуорофорами для многоцветного спектрального кодирования объектов — подобно штрих-коду, но с использованием многоцветности и «невидимых» кодов, флуоресцирующих в инфракрасной области.

В настоящее время все шире используется термин «жидкие микрочипы», позволяющие, подобно классическим плоским чипам, где детектирующие элементы расположены на плоскости, проводить анализ по множеству параметров одновременно, используя микрообъемы пробы. Принцип спектрального кодирования [11] с использованием жидких микрочипов иллюстрирует рисунок 6. Каждый элемент микрочипа содержит заданные количества КТ определенных цветов, и число кодируемых вариантов при этом может быть очень велико!

Рисунок 6. Принцип спектрального кодирования. Слева: «обычный» плоский микрочип. Справа: «жидкий микрочип», каждый элемент которого содержит заданные количества КТ определенных цветов. При n уровнях интенсивности флуоресценции и m цветах теоретическое количество кодируемых вариантов равно n m −1. Так, для 5–6 цветов и 6 уровней интенсивности это будет 10000–40000 вариантов.

Такие кодированные микроэлементы могут применяться для прямого мечения любых объектов (например, ценных бумаг). Будучи внедренными в полимерные матрицы, они чрезвычайно устойчивы и долговечны. Другой аспект применения — идентификация биологических объектов при развитии методов ранней диагностики. Метод индикации и идентификации заключается в том, что к каждому спектрально кодированному элементу микрочипа присоединяется определенная распознающая молекула [12], [13]. В растворе присутствует вторая распознающая молекула, к которой «пришит» сигнальный флуорофор. Одновременное появление флуоресценции микрочипа и сигнального флуорофора свидетельствует о присутствии в анализируемой смеси изучаемого объекта.

Для анализа кодированных микрочастиц «на потоке» может использоваться проточная цитометрия. Раствор, содержащий микрочастицы, проходит через облучаемый лазером канал, где каждая частица характеризуется спектрально. Программное обеспечение прибора позволяет выявить и охарактеризовать события, связанные с появление в пробе определенных соединений — например, маркеров раковых или аутоиммунных заболеваний [11], [12].

В будущем на основе полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллов могут быть созданы микроанализаторы для одновременной регистрации сразу огромного числа объектов.

Молекулярные сенсоры

Использование КТ в качестве зондов позволяет измерять параметры среды в локальных областях, размер которых сравним с размерами зонда (нанометровая шкала). В основу действия таких измерительных инструментов положено использование эффекта Ферстеровского безызлучательного резонансного переноса энергии (Förster resonanse energy transfer — FRET ). Суть эффекта FRET заключается в том, что при сближении двух объектов (донора и акцептора) и перекрытии спектра флуоресценции первого со спектром поглощения второго, энергия передается безызлучательно — и, если акцептор может флуоресцировать, он засветится с удвоенной силой.

Три параметра квантовых точек делают их весьма привлекательными донорами в системах с FRET-форматом.

Есть две стратегии использования эффекта FRET:

Такой подход позволил реализовать наноразмерные сенсоры для измерения рН [15] и концентрации ионов металлов в локальной области образца. Чувствительным элементом в таком сенсоре является слой индикаторных молекул, изменяющих оптические свойства при связывании с регистрируемым ионом. В результате связывания перекрытие спектров флуоресценции КТ и поглощения индикатора изменяется, что меняет и эффективность передачи энергии.

Подход, использующий конформационные изменения в системе донор—акцептор, реализован в наноразмерном сенсоре температуры. Действие сенсора основано на температурном изменении формы молекулы полимера, связывающей квантовую точку и акцептор — тушитель флуоресценции. При изменении температуры меняется и расстояние между тушителем и флуорофом, и интенсивность флуоресценции, по которой уже делают вывод о температуре.

Молекулярная диагностика

Разрыв или формирование связи между донором и акцептором можно зарегистрировать точно так же. Рисунок 7 демонстрирует «сэндвичевый» принцип регистрации, при котором регистрируемый объект выступает в качестве связующего звена («адаптера») между донором и акцептором.

Рисунок 7. Принцип регистрации с использованием FRET-формата. Формирование конъюгата («жидкий микрочип»)—(регистрируемый объект)—(сигнальный флуорофор) приводит к сближению донора (нанокристалл) с акцептором (краситель AlexaFluor). Само по себе лазерное излучение не возбуждает флуоресценцию красителя; флуоресцентный сигнал появляется только за счет резонансного переноса энергии от CdSe/ZnS нанокристалла. Слева: структура конъюгата с переносом энергии. Справа: спектральная схема возбуждения красителя.

Примером реализации этого метода является создание диагностикума на аутоиммунное заболевание системная склеродермия (склеродерма) [16]. Здесь донором послужили квантовые точки с длиной волны флуоресценции 590 нм, а акцептором — органический краситель — AlexaFluor 633. На поверхность микрочастицы, содержащей квантовые точки, «пришили» антиген к аутоантителу — маркеру склеродермы. В раствор вводили вторичные антитела, помеченные красителем. В отсутствии мишени краситель не сближается с поверхностью микрочастицы, перенос энергии отсутствует и краситель не флуоресцирует. Но если в пробе появляются аутоантитела, это приводит к образованию комплекса микрочастица—аутоантитело—краситель. В результате переноса энергии краситель возбуждается, и в спектре появляется сигнал его флуоресценции с длиной волны 633 нм.

Важность этой работы еще и в том, что аутоантитела могут использоваться как диагностические маркеры на самой ранней стадии развития аутоиммунных заболеваний. «Жидкие микрочипы» позволяют создавать тест-системы, в которых антигены находятся в гораздо более естественных условиях, нежели на плоскости (как в «обычных» микрочипах). Уже полученные результаты открывают путь к созданию нового типа клинических диагностических тестов, основанных на использовании квантовых точек. А реализация подходов, основанных на использовании спектрально кодированных жидких микрочипов, позволит одновременно определять содержание сразу множества маркеров, что является основой существенного повышения достоверности результатов диагностики и развития методов ранней диагностики.

Гибридные молекулярные устройства

Возможность гибкого управления спектральными характеристиками квантовых точек открывает путь к наноразмерным спектральным устройствам. В частности, КТ на основе кадмий-теллура (CdTe) позволили расширить спектральную чувствительность бактериородопсина (бР), известного своей способностью использовать световую энергию для «перекачки» протонов через мембрану. (Получающийся электрохимический градиент используется бактериями для синтеза АТФ.)

Фактически, был получен новый гибридный материал: присоединение квантовых точек к пурпурной мембране — липидной мембране, содержащей плотно упакованные молекулы бактериородопсина, — расширяет диапазон фоточувствительности до УФ- и синей областей спектра, где «обычный» бР не поглощает свет (рис. 8) [17]. Механизм передачи энергии бактериородопсину от квантовой точки, поглощающей свет в УФ- и синей областях, все тот же: это FRET; акцептором излучения в этом случае выступает ретиналь — тот же самый пигмент, который работает в фоторецепторе родопсине [18].

Рисунок 8. «Апгрейд» бактериородопсина с помощью квантовых точек. Слева: протеолипосома, содержащая бактериородопсин (в форме тримеров) с «пришитыми» к нему квантовыми точками на основе CdTe (показаны оранжевыми сферами). Справа: схема расширения спектральной чувствительности бР за счет КТ: на спектре область поглощения КТ находится в УФ- и синей частях спектра; спектр испускания можно «настроить», подобрав размер нанокристалла. Однако в этой системе испускания энергии квантовыми точками не происходит: энергия безызлучательно мигрирует на бактериородопсин, который совершает работу (закачивает ионы H + внутрь липосомы).

Созданные на основе такого материала протеолипосомы (липидные «пузырьки», содержащие гибрид бР—КТ) при освещении закачивают внутрь себя протоны, эффективно понижая pH (рис. 8). Это незначительное на первый взгляд изобретение может лечь в будущем в основу оптоэлектронных и фотонных устройств и найти применение в сфере электроэнергетики и других видах фотоэлектрических преобразований.

Резюмируя, следует подчеркнуть, что квантовые точки в форме коллоидных нанокристаллов являются перспективнейшими объектами нано-, бионано- и биомеднанотехнологий. После первой демонстрации возможностей квантовых точек в качестве флуорофоров в 1998 году в течение нескольких лет наблюдалось затишье, связанное с формированием новых оригинальных подходов к использованию нанокристаллов и реализации тех потенциальных возможностей, которыми обладают эти уникальные объекты. Но в последние годы наметился резкий подъем: накопление идей и их реализаций определили прорыв в области создания новых устройств и инструментов, основанных на применении полупроводниковых нанокристаллических квантовых точек в биологии, медицине, электронной технике, технологии использования солнечной энергии и многих других. Конечно на этом пути еще много нерешенных проблем, но растущий интерес, растущее число коллективов, которые работают над этими проблемами, растущее число публикаций, посвященных этому направлению, позволяют надеяться, что квантовые точки станут основой техники и технологий следующего поколения.

Видеозапись выступления В.А. Олейникова на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН, прошедшем 17 мая 2012 года.

Источник

Бизнес на квантах: как квантовые технологии применяют уже сейчас

Технологии, основанные на принципах квантовой механики, уже применяют для разработки решений, которые выведут инновации на новый — квантовый — уровень. Расскажем, как кванты выходят из лабораторий и становятся частью цифровой экономики.

В ХХ веке первая квантовая революция подарила миру транзисторы, лазеры, интегральные схемы и мобильную связь. Вторая волна практического применения квантовых технологий уже близко и включает несколько направлений. Перспективными для бизнеса могут быть три: квантовые вычисления (компьютеры), защищенные квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.

Квантовые вычисления: грядет эпоха квантовых компьютеров

Что это. Если не вдаваться в научные подробности, квантовый компьютер — устройство, работа которого базируется на преобразовании квантовых состояний индивидуальных частиц с последующим измерением результата. Для решения задач он применяет не классические алгоритмы, а квантовые.

Зачем нужны. В перспективе квантовые компьютеры способны решать сложнейшие вычислительные задачи, которые обычные компьютеры решают медленно — десятки и сотни лет, например:

В будущем квантовые вычисления будут применять в самых разных сферах — везде, где обычные компьютеры будут работать медленнее и выдавать больше ошибок. Например, для управления движением транспортных средств (воздушных, морских, наземных), прогнозирования погоды, предупреждения чрезвычайных ситуаций, в оборонной, горнодобывающей и автомобильной промышленности, медицине и других отраслях.

Что уже разработано. Большинство созданных к 2019 году систем далеки от тех впечатляющих возможностей, которые заявлены для квантовых компьютеров, и могут решать только ограниченный круг задач. Поэтому их называют квантовыми симуляторами, или адиабатическими компьютерами.

Примером квантовых симуляторов являются устройства канадской компании D-wave Systems. В линейке устройств D-wave Systems есть системы мощностью от 16 до 2 000 кубит, также было анонсировано 5000-кубитное устройство. В исследовательских целях такие компьютеры уже закупили NASA, Volkswagen, научно-исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе, Google и Lockheed Martin.

Универсальные компьютеры, подходящие для решения различных задач (их можно считать «настоящими» квантовыми компьютерами), разработала компания IBM. В 2019 году она обновила свою коммерческую квантовую вычислительную систему, увеличив ее производительность в два раза: до 53 кубитов, тогда как старые модели были построены на 20 кубитах. Эта квантовая система модернизирована для работы в облачной среде. Однако даже после этого рано считать, что квантовые компьютеры уже вот-вот заменят обычные — пока они слабее традиционных.

В октябре 2019 года о достижении квантового превосходства заявила Google. По результатам исследования, их 54-кубитная система Sycamore за 200 секунд решила задачу, на которую у самого быстрого суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. В IBM к заявлению отнеслись скептически: там считают, что классический компьютер мог выполнить эти вычисления за 2,5 дня, и был бы точнее.

Нужно отметить, что сам предмет обсуждения — эффективность квантового компьютера — пока находится в стадии дискуссии, хотя нельзя отрицать значительных успехов компании Google в развитии технологий квантовых вычислений.

Квантовые коммуникации: защищенная передача информации

Что это. Квантовые коммуникационные сети подразумевают передачу квантовой информации между двумя удаленными в пространстве квантовыми системами способом, защищенным от злоумышленников. И ученые в этой области добились больших успехов, чем в разработке универсального квантового компьютера.

Главное преимущество защиты данных в квантовых коммуникационных сетях базируется на способе получения секретного ключа, секретность которого основана на неделимости кванта и невозможности скопировать квантовое состояние, то есть на законах квантовой физики.

Ключ не передается в непосредственном виде, подобно тому, как передается классическая информация. Секретный квантовый ключ образуется у двух пользователей в процессе передачи и измерения квантовых состояний, например, с помощью поляризованных фотонов.

Зачем нужны. Интерес к квантовым коммуникациям отчасти связан с развитием big data — все эти большие данные нужно обрабатывать и передавать с высокой скоростью и защищенным способом. По прогнозам IDC, к 2020 году почти 40% данных будут обрабатываться с использованием облачных сервисов. Это существенно увеличит потребность в квантовых коммуникациях и шифровании, поскольку значительное количество передаваемых в облако данных должно быть защищено.

Квантовая криптография может применяться для защиты данных в коммуникационных сетях различного назначения, включая спутниковые каналы передачи данных. Большие перспективы откроет появление устройств квантовой криптографии на рынке для владельцев ЦОД, банков, телекоммуникационных компаний, интернет провайдеров. Для этих отраслей они будут особенно удобны, ведь новые ключи будут генерироваться в автоматическим режиме, что значительно повысит уровень защищенности данных от взлома.

Что уже разработано. Передавать информацию «квантовым» способом получается с помощью коммуникационных сетей, которыми уже располагают некоторые страны. Например, в Китае построена квантовая коммуникационная сеть Пекин-Шанхай протяженностью 2000 км, ее расширяют, прокладывая аналогичные линии между другими городами. Для передачи информации используют протоны, которые невозможно разделить, их квантовое состояние нельзя клонировать. Таким образом, нет никакой возможности прослушивать линию.

Проблема использования таких сетей в том, что фотоны могут поглощаться атмосферой или материалами, из которых изготовлены кабели, поэтому обычно они не перемещаются на расстояние более пары десятков километров, максимальная дальность передачи на эксплуатируемых телекоммуникационных сетях — около 100 км. На линии приходится строить узлы, где сигналы расшифровываются и снова зашифровываются перед отправкой дальше. К примеру, на линии Пекин-Шанхай таких узлов 32.

Поэтому ученые пытаются использовать для передачи данных квантовую запутанность — феномен, при котором две частицы настолько взаимосвязаны, что по одной можно понять состояние другой, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет.

В 2017 году китайский спутник «Мо-цзы» побил рекорд дальности квантовой запутанности, передав информацию на 1200 км, а в 2018 году во время эксперимента был передан квантовый ключ шифрования между обсерваториями в столицах КНР и Австрии. Технология квантовой запутанности пока относится к экспериментальным.

Над квантовыми коммуникационными сетями и системами передачи ключей работают не только в Китае, но и в Европе, и в России. В декабре 2017 года Сбербанк и РКЦ запустили квантовую сеть протяженностью 25 км. То, как она работает, можно было увидеть на Петербургском международном экономическом форуме, где провели видеоконференцию между руководителями Сбербанка, Газпромбанка и компании PwC Russia.

В сентябре 2019 года Казанский квантовый центр, «Ростелеком» и «Таттелеком» успешно провели эксперимент по распределению квантовых ключей на волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) протяженностью 143 километра. В этом эксперименте использовался криогенный однофотонный детектор российского производителя СКОНТЕЛ и система квантового распределения ключей университета ИТМО.

Квантовое шифрование можно применять для любых видов связи. Например, специалистами компании «ИнфоТеКС» и Центра квантовых технологий МГУ разработан телефон с квантовым шифрованием. Он шифрует голосовой трафик между собеседниками так, что получить к нему доступ невозможно.

Важно не забывать, что квантовая криптография имеет прямое отношение к защите информации, а потому должна проектироваться и проверяться на соответствие характеристикам, заявленным производителями. Проверку должны проводить регуляторы, имеющие квалификацию и соответствующие методики. Иначе может получиться так, как было с ранними системами ID Quantique, которые удалось взломать группе энтузиастов.

Квантовые сенсоры: миниатюрные и чувствительные датчики

Что это. Квантовые сенсоры — высокочувствительные приборы, основанные на регистрации индивидуальных квантовых эффектов, то есть квантовых эффектов, касающихся отдельных квантовых систем. Примерами таких сенсоров будут лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел.

На практике давно используют коллективные квантовые эффекты, которые основаны на участии в них большого числа квантовых объектов: электронов, атомных ядер, нейтронов, фотонов и других. Именно на их основе работают транзисторы, диоды и микросхемы, так мы получаем действие, осязаемое на макроскопическом уровне, например, видим луч лазера или регистрируем ток в полупроводниках компьютера. Разработать приборы, которые улавливают изменения в отдельных квантовых системах на уровне микромира, намного сложнее.

Зачем нужны. Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Большие перспективы ждут их в медицине и биологии: анализ генома, диагностика заболеваний, в том числе онкологических, исследование процессов, происходящих в теле человека, внутренних органов, тканей, клеток и молекул.

Кроме того, высокочувствительные датчики нового поколения будут применять и в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы, нефтедобыча и строительство, технологии интернета вещей.

Что уже разработано. Интересную разработку создали ученые США, Канады и Германии. Исследователи реализовали квантовый гравиметр, который поможет в поиске нефти и других полезных ископаемых. Устройства с ним смогут обнаружить пустоты под землей, что сделает работу в шахтах безопаснее.

Другим примером коммерциализации этих приборов служит счетчик фотонов, разработанный под руководством Григория Гольцмана, профессора Московского педагогического государственного университета (МПГУ) и сооснователя компании СКОНТЕЛ. Его использует РКЦ для своих разработок в сфере квантовой криптографии.

Особенность применяемой системы квантовой криптографии в том, что сигнал кодируется на одиночных фотонах, когда один бит записывается на один фотон. Детекторы очень чувствительны, они с высокой вероятностью показывают, когда фотон есть, и не показывают шум, когда фотона нет.

Квантовые сенсоры могут использоваться в системах квантовой криптографии для обеспечения случайности квантовых ключей. Например, квантовый генератор случайных чисел, который создали физики МГУ в 2017 году. Он работает с высокой производительностью и обеспечивает непредсказуемость ключей, гарантированную законами квантовой механики.

Источник