Эврика в фотонике: о перспективах развития лазерной отрасли России
Лазерные технологии 24.04.2024 Комментарии к записи Эврика в фотонике: о перспективах развития лазерной отрасли России отключеныОптическая 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 Научного 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.
Опубликовано на https://strana-rosatom.ru/2024/04/22/evrika-v-fotonike-o-perspektivah-raz/