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.