Ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) совершили важный шаг в развитии методов квантовой метрологии. Исследовательская группа под руководством старшего научного сотрудника лаборатории «Квантовая инженерия света», обладателя Мегагранта для молодых ученых «ИК-метрология на основе квантовой интерферометрии» Анны Патеровой в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко «Шаг в будущее» разрабатывает и совершенствует метод нелинейной интерферометрии, который позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум при измерениях в инфракрасном (ИК) диапазоне, превращая квантовые шумы в полезный инструмент.
Напомним, что лабораторию «Квантовая инженерия света» возглавляет доктор физико-математических наук, профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Сергей Кулик, а PhD Анна Патерова является старшим научным сотрудником этой лаборатории.
Разработки по гранту В.Б. Христенко – одно из направлений работ лаборатории, связанное с разработкой и совершенствованием методов нелинейной интерферометрии.
Главная проблема классической ИК-спектроскопии заключается в том, что детекторы для этого диапазона работают плохо: тепловой шум от объектов и даже движения самого экспериментатора «засвечивают» слабый полезный сигнал.
«В квантовой оптике главные противники эксперимента – не темнота, а движение, шум, лишний свет, – поясняет Анна Владимировна, – Чтобы его минимизировать, все эксперименты проводятся в особых условиях: лаборатории без окон, чтобы не проникал шум с улицы, охлаждаемые детекторы, оптические столы, гасящие вибрации, и даже специальные требования к одежде (светлые тона могут отражать свет от экрана ноутбука, что искажает данные). Когда мы собираем нелинейный интерферометр, очень важно, чтобы он был стабилизирован».
Ключом к решению проблемы стало использование спонтанного параметрического рассеяния (СПР) – квантового процесса, который сам по себе является результатом взаимодействия лазерного излучения с электромагнитными флуктуациями вакуума. Парадоксально, но именно эти неизбежные квантовые флуктуации, обычно ассоциируемые с шумом, в данном случае не мешают, а помогают, запуская процесс рождения коррелированных пар фотонов.
В нелинейном кристалле лазер генерирует пары коррелированных фотонов: один из них имеет видимую длину волны, а другой – инфракрасную. Вероятность такого события крайне мала (около 10⁻⁶), но именно оно открывает новые возможности. И чем мощнее лазер, тем точнее будет измерение.
«Мы предлагаем метод нелинейной интерферометрии, который позволяет проводить измерения в инфракрасной области с детектированием видимого света, – комментирует Анна Владимировна, – Наш эксперимент называется «Нелинейная интерферометрия для применения инфракрасной визуализации либо инфракрасной спектроскопии».
Мы отказываемся от неэффективных инфракрасных детекторов и используем детекторы для видимого диапазона, которые нечувствительны к тепловому шуму. Благодаря квантовой корреляции между фотонами, проводя измерения на длине волны видимого фотона, мы можем судить о том, что произошло с его ИК-парой. Это значительно повышает отношение сигнал/шум по сравнению с классическими аналогами».
Такой подход может быть эффективнее, чем классические методы метрологии, что открывает путь к более информативным измерениям, в частности, в биомедицине. Методика позволит проводить неинвазивный анализ биологических тканей, исследуя специфические линии поглощения белков, жиров, ДНК и РНК в инфракрасном диапазоне. В перспективе это может дать возможность выявлять изменения в тканях на самых ранних стадиях, например, при воздействии лекарств или развитии патологий, обеспечивая более глубокий уровень анализа, чем привычные методы.
Работы в рамках проекта активно подкрепляются не только экспериментальными результатами, но и подготовкой кадров. По итогам исследований опубликованы статьи в ведущих международных журналах, включая Advanced Photonics Research и Laser Physics Letters.
Это, к примеру, публикация E.S. Zatsepin, et al, “Dispersion Analysis of Silver Thiogallate in a Broad Mid‐Infrared Range”, Advanced Photonics Research 7(1), e202500267 (2026), набравшая высокое количество просмотров, а также публикация E.S. Zatsepin, et al, “Generation of spontaneous parametric down conversion from BaGa2GeS6 crystal”, Laser Physics Letters 23(1), 015201 (2026).
В рамках гранта В.Б. Христенко студенты и аспиранты, задействованные в проекте, регулярно представляют результаты на конференциях. В марте 2026 года трое молодых исследователей – Евгений Зацепин (аспирант), Артём Сабанин (магистр 2-го курса кафедры наноэлектроники) и Тихон Леоновец (бакалавр 3-го курса кафедры наноэлектроники) – стали лауреатами конкурса грантов Межуниверситетской квантовой сети (МУКС) и успешно защитили свои работы на IX Международной школе по квантовым технологиям в Сочи. В июле 2026 года еще одна группа студентов (София Орлова (бакалавр 4-го курса кафедры наноэлектроники) и Андрей Шишкин (бакалавр 2-го курса кафедры оптоинформатики) отправится на стажировку в Курчатовский институт (Москва).
Кроме того, ближайшим научным событием станет VI научно-практический семинар «Современные проблемы квантовых технологий: прикладная сенсорика», который пройдет в ЮУрГУ в конце июня 2026 года и соберет экспертов в области квантовой сенсорики и смежных направлений.
Проект реализуется в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко «Шаг в будущее». Это программа ежегодной финансовой поддержки программы развития Университета в рамках «Приоритет-2030». Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ и Челябинской области.