Эврика в фотонике: о перспективах развития лазерной отрасли России

Оптическая связь почти со скоростью света, суперкомпьютеры мощностью 10²¹ операций в секунду и выше, диагностика и лечение самых сложных болезней. О многообещающей фотонике на конференции «Физико-­технические интеллектуальные системы» рассказал директор Института общей физики им. Прохорова РАН член-корреспондент РАН ­Сергей Гарнов.

16 мая 1960 года в США запустили первый в мире лазер: его создатель Теодор Майман использовал кристалл рубина и лампу-­вспышку. 2 июня 1961 года рубиновый лазер заработал в СССР—?в Государственном оптическом институте им. Вавилова. «Уже через несколько месяцев начались эксперименты по использованию лазеров в промышленности и медицине. В коротком докладе невозможно даже перечислить все задачи, которые сейчас решают лазерные технологии»,?— сказал ­Сергей Гарнов и сосредоточился на главных их перспективах.

Связь—?просто космос

В России первая передача данных по оптическим системам состоялась в 2011 году. Эксперимент провели в рамках отработки технологии связи по лазерным каналам между Землей и Международной космической станцией. Спустя два года аналогичный эксперимент осуществило НАСА. И вот в мае 2023 года в американском агентстве заявили, что их система спутниковой лазерной связи достигла нового рекорда—?200 Гбит/с по нисходящему каналу. За шесть минут прохождения над наземной станцией спутник по системе TBIRD (TeraByte InfraRed Delivery) успел передать несколько терабайтов данных.

«Вопрос коммуникации с орбитальными станциями гражданского и специального назначения чрезвычайно актуален. Показатели, в сотни раз превышающие скорость традиционной передачи данных,—?это не теория, они подтверждены в ходе экспериментов»,—?подчеркнул ­Сергей Гарнов. Основная проблема, которую решают разработчики,—?искажения лазерного излучения в атмосфере из-за ее неоднородности. Первые эксперименты уже поставили, результаты получили. «Необходимое качество производства оптики и механики, радиационно стойких лазеров достигнуто, системы обнаружения и позиционирования станций приема-­передачи разработаны практически в полной мере,—?сообщил ­Сергей Гарнов.—?Но до сих пор не решены вопросы с электронной компонентной базой, прежде всего радиационно стойкой, хотя усилия правительства и бизнеса для импортозамещения в электронной промышленности дают определенные надежды».

Светлое будущее электроники

Производительность электроники увеличивается за счет миниатюризации транзисторов: чем больше их умещается в процессоре, тем больше вычислений он производит. Однако близок момент, когда размер транзисторов вплотную приблизится к размеру атомов кремния. Выход из тупика—?использование фотонов.

«Звучит это довольно эпатажно: мы стремимся в системах связи заменить электроны фотонами. С точки зрения фундаментальной науки ничего невозможного здесь нет. Оптические процессы по определению проходят значительно быстрее, чем процессы с участием электронов. Коллеги из Национального центра физики и математики в Сарове уже разработали фотонный процессор производительностью 5,3·10¹⁵ бит в секунду. К 2030 году планируется создать полноценную фотонную вычислительную машину класса мегасайенс производительностью 10²¹ операций в секунду. Такая скорость недоступна современным системам на электронной элементной базе»,—?пояснил ­Сергей Гарнов.

Большинство фотонных вычислительных устройств способно работать на базе действующих систем генерации и детектирования оптических импульсов и позволяет многократно увеличить скорость не только передачи, но и обработки сигнала. «Такой метод даст производительность в десятки зеттафлопсов (10²¹ операций в секунду.—?«СР»)»,—?сказал ­Сергей Гарнов.

Прорыв в сфере фотоники должен обеспечить Международный центр исследований экстремальных световых полей с источниками лазерного излучения гигантской, экзаваттной (10¹⁸ Вт) пиковой мощности. Проект базируется на значительных успехах в создании петаваттных лазеров (10¹⁵ Вт).

Лучи здоровья

Фундаментальные исследования становятся базой для прикладных разработок. В качестве примера ­Сергей Гарнов привел сделанный в Институте общей физики РАН опытный образец прибора для лечения коралловидного нефролитиаза—?одной из самых сложных форм мочекаменной болезни. Под воздействием лазерного излучения конгломераты (камни) разрушаются до состояния песка и выводятся из организма естественным путем. За счет особого сочетания инфракрасного и зеленого импульсов нужной интенсивности в пораженном органе образуется ударная звуковая волна, которая измельчает конгломерат. Прибор испытали в августе прошлого года, массовое производство запланировано на ближайшее время.

В конце 2023 года группа ученых Московского государственного университета (МГУ) представила мультисенсорную систему для детектирования специфичных биообъектов (антител, аптамеров, олигонуклеотидов). Кремниевый транзистор с очень маленьким каналом (нанопроводом) реагирует на изменение электрического заряда рядом с собой. Сенсор продемонстрировал рекордную чувствительность в детектировании определенного типа белков. Исследования проводились в рамках научно-­образовательной школы МГУ «Фотоника».

Ученые Сколковского института науки и технологий с коллегами из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Института биоорганической химии РАН 31 января этого года предложили новый быстрый способ диагностики рака молочной железы по анализу крови. Предмет исследования—?содержащие определенные типы молекул везикулы, пузырьки размером от 20 до 150 нм, которые участвуют в транспортировке веществ между клетками организма. Маркерные молекулы в везикулах фиксируют фотонными микросенсорами.

«В 2022 году объем внут­реннего рынка лазерной продукции, произведенной в стране, составил 17 млрд руб­лей. Много это или мало? Учитывая, что системы зарубежного производства продолжают работать, переход на отечественные будет постепенным. Только в этом году рост производства запланирован не менее чем на 40?%. Это хороший показатель: такими темпами за пять лет все зарубежные лазерные системы будут замещены отечественными»,—?сделал прогноз ­Сергей Гарнов.

Источник: strana-rosatom.ru

Комментарии: