Мир в квантовом свете

Уникальный инфракрасный микроскоп на основе квантовых технологий разработали в Челябинске

Анна Патерова десять лет училась и работала в научно-исследовательском агентстве Сингапура / Фото: пресс-служба ЮУрГУ

Ученые Южно-Уральского государственного университета создали на основе квантовых технологий экспериментальную установку — уникальный инфракрасный микроскоп, позволяющий изучать ИК-излучения с минимумом постороннего шума

В лаборатории «Квантовая инженерия света» Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ, Челябинск) реализуется важный научный проект, направленный на инфракрасную визуализацию с помощью квантового света. Работа связана с квантовой сенсорикой, предполагающей создание измерительных устройств на основе квантово-механических явлений.

— В квантовых технологиях существует несколько направлений: квантовые коммуникации, квантовые алгоритмы, квантовые компьютеры и квантовая сенсорика, — рассказала журналу «Эксперт-Урал» молодой ученый, старший научный сотрудник лаборатории «Квантовая инженерия света» ЮУрГУ Анна Патерова. — На данный момент квантовая сенсорика как раз является наиболее перспективным направлением, поскольку позволяет применить квантовые технологии в создании сверхчувствительных датчиков и приборов, имеющих в том числе прикладное значение. В нашей работе мы решаем проблему инфракрасного детектирования (обнаружения). Дело в том, что имеющиеся в мире инфракрасные (ИК) микроскопы, основанные на классическиз принципах, имеют проблему детектирования в ИК-диапазоне: детекторы малоэффективные и требуют криогенного охлаждения до низких температур, чтобы достичь хорошего отношения сигнала к шуму. Мы решаем эту проблему: микроскоп работает в инфракрасном диапазоне, но с регистрацией видимого света. То есть мы переносим информацию из инфракрасного диапазона в видимый диапазон. А в видимом диапазоне у нас проблем с детекторами нет: существуют очень эффективные камеры и оптические детекторы, которые помогают регистрировать информацию с хорошим соотношением сигнал-шум. Таким образом, благодаря тому, что мы переносим регистрацию сигнала в видимый диапазон, наш ИК-микроскоп не требует криогенного охлаждения и может работать при комнатной температуре.

Анна Патерова со студентами ЮУрГУ настраивает установку по наблюдению коррелированных пар фотонов

Москва – Сингапур – Челябинск

У Анны Патеровой удивительная биография. Родом из Чувашии, окончила Московский государственный университет по специальности «физика», писала диплом на кафедре квантовой электроники. Затем поступила в аспирантуру в A*STAR (Agency for Science, Technology and Research) — ведущее государственное научно-исследовательское агентство Сингапура. После получения ученой степени Ph.D. (в России соответствует кандидату физико-математических наук) осталась там работать научным сотрудником. В общей сложности провела в Сингапуре десять лет. В 2024 году вернулась в Россию, причем для жизни и профессиональной деятельности выбрала Челябинск.

— На данном этапе мне было интересно продолжить научную деятельность в России и применить накопленный за рубежом опыт, поэтому я приняла решение вернуться, — объясняет ученый свой выбор. — В ЮУрГУ к этому времени уже работала лаборатория «Квантовая инженерия света», которую открыл и возглавил Сергей Павлович Кулик. Он был моим научным руководителем по дипломной работе в МГУ. Сергей Павлович предложил мне подать заявку на мегагрант Министерства науки и высшего образования России — на разработку на базе лаборатории ЮУрГУ. Была особая номинация — для привлечения молодых ученых из-за рубежа в российские вузы. Заявленный нами проект называется «Инфракрасная метрология на основе квантовой интерферометрии света». Инфракрасный спектр — вид излучений, невидимых обычным глазом, а квантовая интерферометрия — взаимодействие частиц света (фотонов), изучаемое по особым законам квантового мира. В итоге наш проект выиграл мегагрант с ежегодным финансированием 15 млн рублей. Я переехала в Челябинск, где живу и работаю уже третий год. Здесь университет мне выделил служебную квартиру.

Сердце в ИК-диапазоне

Грант изначально был рассчитан на два года, затем появилась возможность его продлить до конца 2027 года, чем и воспользовались челябинские ученые. Результатом первого этапа реализации научного проекта стала экспериментальная установка (тот самый инфракрасный микроскоп), которая уже собрана в лаборатории и готова к работе. Микроскоп проходит тестовые испытания: проверяются его разрешающая способность, диапазон длины волн, отношение сигнал-шум и другие параметры.

— В дальнейших наших планах — исследовать различные образцы, в том числе биологических тканей, — делится Анна Патерова. — Дело в том, что живые организмы проявляют себя и в инфракрасном спектре, этого не увидеть в обычные микроскопы. Наша экспериментальная установка, созданная с помощью квантовых технологий, на основе квантовых состояний света, позволяет изучать ИК-излучения с минимумом постороннего шума. В инфракрасном диапазоне есть линии поглощения белков, жиров, протеинов, которые можно исследовать. Например, биоткани сердца или печени. Кроме того, можно изучать и линии поглощения газов. Поэтому технологию планируем использовать как в биологии и медицине, так и в экологическом мониторинге. На втором этапе рассчитываем довести нашу установку до хорошего разрешения, чтобы ее можно было применять в исследованиях, в том числе для решения прикладных задач, например для ранней диагностики заболеваний. Уже сегодня разработка вызывает интерес у представителей промышленности. Ведутся работы по применению микроскопа для контроля качества изделий микроэлектроники, что подтверждает востребованность технологии в прикладных задачах.

Кто следующий?

Одновременно с исследовательской работой Анна Патерова проводит в университете научные семинары для студентов и аспирантов, связанные с темой гранта, а также привлекает начинающих молодых исследователей к работе в лаборатории по своему направлению.

— Одна из приоритетных задач любого научного центра — подготовить новое поколение сотрудников, — резюмирует ученый. — Чтобы наша лаборатория в ЮУрГУ развивалась и росла, стараюсь работать со студентами и аспирантами, привлекать молодые таланты. Они к нам приходят, интересуются, некоторые выбирают квантовую интерферометрию света в качестве направления для подготовки своей научной работы. Например, в этом году один студент-магистр защитил дипломную работу и планирует поступать в аспирантуру.

А сама Анна Патерова по результатам своего исследования готовит публикацию в одном из международных научных изданий.