8 октября 2020

 

 

 Сегодня ученые во всем мире работают над тем, чтобы перевести передачу данных в терагерцовый диапазон, что позволит отправлять и получать информацию намного быстрее, чем посредством уже существующих систем. Однако проблема заключается в том, что кодировать информацию на такой длине волны куда сложнее, нежели в гигагерцовом диапазоне, используемом в технологии 5G. Группе ученых международной лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий удалось продемонстрировать способ модификации терагерцового импульса, который позволит передавать с его помощью информацию. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

 Телекоммуникационные компании наиболее развитых стран постепенно начинают переходить на новый стандарт обмена данными 5G, который сулит пользователям доселе невиданную скорость беспроводной передачи информации. Между тем, пока в мире предпринимаются первые шаги к освоению сетей нового поколения, ученые уже работают над тем, что в будущем их заменит.
 Публикацию в Scientific Reports прокомментировал соавтор статьи - Егор Опарин, студент 3-го курса бакалавриата факультета Фотоники и оптоинформатики, и член научной группы лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. Егор обучается по программе «Оптические и квантовые технологии в коммуникациях». Представленной в статье тематикой Егор начал заниматься ещё на втором курсе, когда всерьёз заинтересовался фемтотехнологиями, и пришёл в лабораторию на практику.
 «Речь идет о технологиях, которые лягут в основу стандарта 6G, - рассказывает Егор - он позволит увеличить скорость передачи информации в 100 – 1000 раз по сравнению с только внедряемым 5G. Это потребует новых технологических решений, в частности переход на новый, терагерцовый, диапазон».

Команда лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий.

 Чем поможет переход на терагерцовый диапазон? Повышение частоты излучения, используемого для передачи информации, позволит увеличить пропускную способность каналов связи, а также увеличить быстродействие. Сегодня на примере инфракрасного диапазона отработана технология одновременной передачи множества каналов информации всего по одному физическому каналу. Эта технология строится на взаимодействии двух широкополосных инфракрасных импульсов с шириной спектра в десятки нанометров. В терагерцовом диапазоне ширина спектра таких импульсов гораздо больше.
 «Диапазон от 300 до 3000 микрон, - поясняет Егор, - это сотни микрон, соответственно в него можно зашить куда больше информационных каналов одновременно, разумеется при определенных технических решениях».
 
 Проблема «гребенки»
Однако в этих технических решениях и состоит загвоздка. Прежде чем всерьез говорить о создании устройств, поддерживающих технологию 6G, ученым и инженерам предстоит решить очень много сложных задач. Одна из них - обеспечить интерференцию двух импульсов и получить так называемую “гребенку” или последовательность импульсов, с помощью которой и кодируется информация.
 «В терагерцовом диапазоне в импульсах, как правило, содержится малое число колебаний поля, - рассказывает Егор, - буквально одно-два колебания в импульсе. Он очень короткий и выглядят на графике как такой узкий пик. Интерферировать импульсы с подобными характеристиками колебания поля достаточно сложно, так как тяжело добиться их перекрытия».
 Научная группа лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий предложила растянуть импульс во времени таким образом, чтобы его протяженность все еще измерялась пикосекундами, но длился бы он в несколько раз дольше. В таком случае разные частоты будут присутствовать в импульсе не сразу, а последовательно сменять друг друга. На языке науки это называется чирпирование или линейно-частотная модуляция. Однако и здесь существует сложность – если в инфракрасном диапазоне технологии чипирования отработаны хорошо, то для терагерцового отсутствует развитая материальная база.

 Металлический волновод



Иллюстрация из статьи. Схема экспериментальной установки для создания ТГц “гребенок”. Источник: Scientific Reports

 «Нам пришлось немного попридумывать. Мы обратились к технологиям, которые используются в СВЧ-диапазоне. Там активно используют металлические волноводы, у которых, как правило, высокая дисперсия, то есть разные частоты излучения там распространяются с разной скоростью. Однако в СВЧ диапазоне подобные волноводы используются в одномодовом режиме, то есть поле там распространяется только в одной конфигурации и в определенном узком частотном диапазоне, и, как правило, на одной длине волны. Мы взяли сходный волновод, созданный в размерах, подходящих для терагерцового диапазона, стрельнули в него широкополосным излучением так, чтобы оно распространялось в разных конфигурациях, и за счет этого импульс сильно растянулся во времени, с двух до порядка семи пикосекунд, то есть в три с половиной раза. Это и стало для нас решением».
 Используя волновод, ученые смогли растянуть импульсы до необходимых с точки зрения теории значений. Это позволило добиться взаимодействия двух таких чирпированных импульсов, что создало эффект «гребенки».


Егор Опарин, студент 3-го курса факультета фотоники и оптоинформатики

 «В чем чудо этой «гребенки», - поясняет Егор, - в ней наблюдается зависимость структуры импульса во времени и в спектре. То есть у нас есть временная форма импульса, проще говоря, колебание поля во времени, и спектральная, то есть колебание в спектре терагерцовых частот. Допустим, у нас есть три пика, три субструктуры во временной форме, и, соответственно, три субструктуры в спектральной форме. Вырезая специальным фильтром части спектральной формы, мы можем “мигать” во временной форме и наоборот. Таким образом можно построить кодирование информации в терагерцовом импульсе».

Статья: Xinrui Liu, Maksim Melnik, Maria Zhukova, Egor Oparin, Joel J. P. C. Rodrigues, Anton Tcypkin, Sergei Kozlov. Formation of gigahertz pulse train by chirped terahertz pulses interference. Scientific Reports, 2020/10.1038/s41598-020-66437-4
 

 

 Если программа претерпела обновление, то чем отличается обновленная программа магистратуры?

 
 Прежде всего, обновленная программа магистратуры «Квантовые коммуникации и фемтотехнологии» стала практико-ориентированной. Половина учебного времени в магистратуре предназначена для индивидуальной работы студента с его научным руководителем над конкретными финансируемыми частными компаниями или государственными заказами и грантами научными или инновационным проектами. Таких проектов у нас в подразделении на сегодня уже больше, чем на миллиард рублей. Конкретные проекты, в которых он хочет принять участие, выбирает сам магистрант в зависимости от личных взглядов на свое место на завтрашнем рынке труда. Он может сам выбрать и учебные дисциплины, которые ему помогут получить необходимые компетенции для работы на этом рынке.
 Разумеется, тех, кого увлекает фундаментальная наука, и кто желает по окончании магистратуры пойти в аспирантуру, мы также рады видеть на нашей образовательной программе.
 Кроме того, в рамках обновленной программы Вы можете целый семестр при желании провести обучение за рубежом в вузе-партнере в Европе, США или Китае. И вообще обучаться у нас среди иностранных студентов на английском языке.

 Кому будет интересна данная программа? Кого программа видит в качестве абитуриентов?

 
 Мы принимаем в этом году на первый курс магистратуры несколько десятков выпускников бакалавриата и специалитета. И предлагаем для них научно-инновационные направления на различные интересы и начальный уровень подготовки.
  На специализации «Квантовые коммуникации» мы рады видеть тех, у кого есть навыки и желание экспериментальной работы. Кто видит себя завтра в создаваемом высоко инновационном секторе экономики безопасных коммуникаций. Увлекающимся теоретической работой будут предложены актуальные задачи безопасности квантовых протоколов, разработки новых технологий квантовой информатики. Их высокооплачиваемые рабочие места уже есть на рынке труда.
 На специализации «Фемтотехнологии» Вы можете принять участие в фундаментальных исследованиях физики взаимодействия сверхмощного излучения с веществом и, как уже многие, впоследствии защитить у нас кандидатскую диссертацию. Тем, кому более интересны задачи применения фемтотехнологий, могут принять участие в практических проектах по использованию этих технологий для диагностики и терапии в ведущих медицинских центрах, исследованию состояния скульптур и картин в Эрмитаже и Лувре, с ними у нас уже есть соглашения. Мы также с интересом создаем мир голографии. В данном направлении подготовки будут востребованы те, кого привлекает дизайнерство. Интересны нам и магистры, у кого есть «жилка» предпринимателя. Мы выходим на рынок голограмм. Поэтому нам нужны те, кто хочет на практике научиться работать в высокотехнологичном бизнесе.
 На специализации «Оптические материалы» вы получите компетенции, с которыми Вы будете особенно востребованы в индустриальном секторе «Фотоники». Ведь многие миниатюрные устройства современной фотоники – это сложно структурированные новые оптические материалы. Практическое обучение ведется на установках, в свое время лучшего в мире, научного центра глобальной американской корпорации «Корнинг глас», выкупленного в нулевые годы у этой компании Университетом ИТМО.

 Кем работают выпускники программы? Чем перспективны изучаемые направления?

 
 Наверное, это важнейший вопрос для Вас - наших абитуриентов, поэтому остановлюсь на нём еще более подробно. Первое, о чем расскажу, – это основные позиции в компаниях, которые могут занимать и занимают выпускники нашей программы. А второе – это сферы научно-инновационной и коммерческой деятельности наших выпускников.
 Итак, об основных позициях. Наша образовательная программа, как я уже сказал, построена так, что основную часть учебного процесса составляет практика, которая обычно проходит в хорошо оснащенных научных лабораториях Международного института фотоники и оптоинформатики, или в компаниях и исследовательских центрах – партнерах этого института и нашего одноименного факультета, таких как: «Кванттелеком», «Тидекс», «Исследовательский центр Самсунг», Физико-технический институт А.Ф. Иоффе, Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова и других. Практика представляет собой работу над реальными научными или инновациоными проектами, выполняемыми в рамках грантов государственных министерств и научных фондов, а также заданий коммерческих организаций. Заинтересованные студенты во время обучения имеют возможность трудоустроиться на работу по этим проектам, как в лабораториях Международного института фотоники и оптоинформатики, так и организациях - партнерах. Поэтому уже на этапе обучения у наших магистров формируются, сначала профессиональные предпочтения, затем соответствующие практические компетенции, а далее происходит осознанный выбор своей реализации в профессии после выпуска. Среди этих реализаций можно выделить четыре основных.
 
1. Учёные. Учёные – теоретики в области, как фундаментальных, так и прикладных наук. Учёные – экспериментаторы. Надо отметить, что ребята из этой группы очень востребованы, как в российских научных центрах, так и в зарубежных.
2. Инженеры. Инженеры – конструкторы, инженеры – электронщики, инженеры – проектировщики систем, инженеры – программисты, инженеры – аналитики.
3. Руководители. Руководители проектов, руководители лабораторий, руководители предприятий.
4. Предприниматели. Разработчики бизнес - идей, бизнес – проектов, создатели стартапов, создатели малых инновационных предприятий, создатели средних компаний.
Конечно, я обрисовал профессиональные траектории наших выпускников весьма обобщенно. А, как правило, непосредственная трудовая деятельность нашего выпускника сочетает в себе черты от каждой из вышеперечисленных групп.
 
Теперь второе, о сферах деятельности наших выпускников. Я перечислю наиболее значимые:

• разработка безопасных от атак нарушителей  квантовых коммуникаций и сетей;
• разработка устройств и систем квантового интернета;
• проектирование систем искусственного интеллекта, оптических и квантовых процессоров;
• создание и эксплуатация лазеров и лазерных систем с уникальными параметрами для применения в квантовых и фемтотехнологиях;
• разработка фемтотехнологий различного назначения, включая терагерцовые технологии, и основанные на них биотехнологии и методы беспроводной передачи информации;
• разработка и применение голографических технологий.
• разработка программного обеспечения для различных систем фотоники и оптоинформатики.

 Наши выпускники, а также еще обучающиеся магистры и аспиранты работают в компаниях: «Кванттелеком», «Яндекс», «Ростелеком», «Лазерные системы»,  «Комета», «ИРЭ-Полюс», «Корнинг», «Тидекс», «Самсунг», «Электрон», «ЦНИИ «Электроприбор», «ФТИ Оптроник», ФТИ им. А.Ф. Иоффе, НМИЦ им. В.А. Алмазова, «ОЭС Спецпоставка» и др.
 

 Какие предметы изучают на программе? / Какие специализации есть на программе и в чем их особенности?

 
 Я уже рассказал о трех специализациях, которые есть на нашей образовательной программе. Ясно, что на различные запросы обучающихся отвечает и набор дисциплин на этих специализациях.
 Есть дисциплины, которые рекомендуются студентам всех специализаций. Среди них «Фотоника», где даются общие сведения об этом научно-техническом направлении, «Оптические системы записи, хранения и отображения информации», «Квантовая информатика», «Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии», Математические методы компьютерных технологий в научных исследованиях», «Прикладной искусственный интеллект». Есть характерные дисциплины специализаций, например, «Фемтотехнологии в биомедицине», «Квантовые и оптические методы обработки информации и вычислений» или «Материалы зелёной энергетики и биомедицины». Важным набором дисциплин, которые Вы можете выбрать, являются и дисциплины практического характера такие как: «Специальные разделы проектирования приборов и систем», «Методы обработки информации в фотонике» или «Нанотехнологии фотоники и оптоинформатики».
 Исчерпывающий перечень дисциплин можно посмотреть в учебном плане на сайте нашей программы.
 Важно, что наши студенты получают возможность работы на самом современном и, замечу, очень дорогостоящем оборудовании. Это привлекает к нам студентов на мастер-классы из самых престижных мировых вузов в области фотоники.
 

 Как магистранты могут участвовать в научных исследованиях?

 
 На этот вопрос я уже ответил. Но, все же, еще раз подчеркну, что в соответствии с нашей образовательной программой, в рамках различных практик, все студенты в период обучения не только могут, но и должны выполнить значимый научный проект. При этом каждый заинтересованный студент имеет возможность включиться в работу научных коллективов лабораторий Международного института фотоники и оптоинформатики и компаний партнеров и получить не только опыт работы над крупным реальным проектом, но и ощутимую материальную поддержку.

 Какие партнерства есть у программы?

 
 В этом году главным партнером нашей образовательной программы, да и всего Университета ИТМО в целом, стала глобальная корпорация ОАО «РЖД». Именно этой компании Правительство России поручило координировать и управлять внедрением квантовых коммуникаций в Российской Федерации. Департамент развития квантовых коммуникаций ОАО «РЖД» возглавил выпускник нашей образовательной программы кандидат технических наук Артур Викторович Глейм. РЖД является индустриальным партнером Лидирующего исследовательского Центра квантового интернета, созданного в нашем Университете в этом году в рамках национальной программы «Цифровая экономика РФ. Техническим директором Центра является другой выпускник нашей образовательной программы кандидат физико-математических наук Владимир Ильич Егоров. В ближайшем будущем мы будем строить квантовую магистраль Санкт-Петербург – Москва. Очень рассчитываем на Ваше участие в этом, наши будущие магистры.
 Другим нашим партнером является Администрация Санкт-Петербурга, которая очень рассчитывает на выпускников нашей образовательной программы при создании безопасных коммуникаций в нашем городе.
 Отмечу тесное сотрудничество нашей программы и с поволжским телеоператором СМАРТС, который вложил в развитие «квантовой отрасти» страны уже сотни миллионов рублей. У нас сейчас учатся студенты, которые получают стипендию от этой корпорации.
 Много наших выпускников, как я уже сказал, работают в ООО «Кванттелеком» - компании, созданной по инициативе Сколково инвестором СМАРТС и малым инновационным предприятием нашего университета «Квантовые коммуникации». Это малое инновационное предприятие было создано студентами и преподавателями нашей образовательной программы. Конечно, мы партнеры.
 С удовольствием скажу об очень плодотворном сотрудничестве нашей программы с широко известной в мире компанией «Тидекс», которая активно помогает нам в развитии фемтотехнологий, особенно терагерцовых, и их различных применений в создании новых материалов фотоники, в диагностике и терапии в медицине, в развитии новых прорывных технологий в беспроводной передаче информации.
 В области фемтотехнологий мы имеем партнерами коллег из лучших в области фотоники вузов США и Китая, сотрудничаем и с большим количестовм научных коллективов Германии, Франции, Нидерландов, Финляндии. Многие наши студенты имели возможность работать в научных и учебных лабораториях этих вузов.
 Партнёрство с названными компаниями и вузами даёт студентам важнейший опыт совместных научных исследований, обучения, стажировок и трудоустройства.
 Дорогие абитуриенты и коллеги. Готов ответить и на другие Ваши вопросы по электронной почте Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
 
 Ваш Сергей Аркадьевич Козлов,
профессор, доктор физико-математических наук,
Заслуженный деятель науки РФ.