Широко известна ваша работа в области электромагнетизма. Однако еще одной сферой, которой вы занимаетесь в последние годы, являются фотонные кристаллы. Почему эти материалы представляют такой большой интерес для ученых?
С точки зрения физики существует очень тесная аналогия между распространением фотонов в фотонных кристаллах и движением электронов в полупроводниках. Иными словами, для многих явлений, характерных для электронов в полупроводнике, часто существует близкий аналог для фотонов в фотонных кристаллах. Это хорошо видно на примере топологической физики. Многие топологические явления, которые волновали электронное сообщество в последние несколько лет, были фактически предсказаны и обнаружены для фотонов в фотонных кристаллах.
Сегодня люди продолжают с большим оптимизмом смотреть в сторону фотонных кристаллов, так как эти материалы могут быть полезны для многих практических применений в области фотоники.
Вы в том числе работаете над применением фотонных кристаллов для солнечной энергетики. Расскажите, пожалуйста, подробнее о ваших текущих исследованиях.
Многие весьма заинтересованы в использовании фотонных кристаллов для повышения эффективности коммерческих фотоэлектрических солнечных элементов. Когда вы что-то нагреваете, оно начинает излучать энергию так же, как поверхность абсолютно черного тела. В зависимости от типа фотонного кристалла, он может излучать на разных частотах. С точки зрения преобразования энергии это потенциально полезно для целого ряда приложений.
Одно из них — это так называемые солнечные термофотовольтаические элементы. Мы используем солнечный свет, чтобы нагреть что-то до довольно высокой температуры. Затем это что-то начинает излучать, и это излучение может быть сконвертировано в электричество благодаря фотовольтаическим элементам. Это оказывается возможным благодаря тому, что фотонные кристаллы позволяют контролировать спектр эмиссии, что может быть полезно для оптимизации и усиления эффективности систем такого типа.
(Подробнее об исследовании можно почитать здесь, статья была опубликована в журнале Nature — прим.ред.)
Каковы, на ваш взгляд, другие наиболее перспективные применения для фотонных кристаллов? И можно ли говорить, что мы используем эти технологии уже сейчас?
Одно из практических применений включает разработку фотонно-кристаллических оптических волокон. И могу сказать, что некоторые из таких материалов уже используются в хирургии. Также можно отметить фотонно-кристаллические лазеры с поверхностным излучением. Первопроходцем в этой области является профессор Нода из Японии. Такие лазеры могут иметь много дополнительных интересных свойств, как то высокая мощность или высокая управляемость лазерного луча, а также ряд других. Есть и другие приложения, которые, возможно, способны появиться в более короткой перспективе.
На конференции МЕТАНАНО вы представили доклад об использовании нейронных сетей в фотонике. IT сегодня действительно проникает во все области современной науки. Какие главное возможности дает использование инструментов в ваших исследованиях?
Искусственный интеллект и, в частности, глубокое обучение действительно оказывает огромное влияние на многие области, в том числе распознавание речи и лиц, улучшение качества перевода, игровая индустрия, беспилотные автомобили и так далее.
Но некоторые из этих очень мощных технологий, разработанных в последнее время, могут иметь и различные применения в науке. Эта сфера очень быстро развивается в течение последних двух-трех лет, и для ученых это действительно очень большое и захватывающее поле. В будущем, я уверен, будет много возможностей использовать некоторые из методов глубокого обучения в науке. И, в частности, в фотонике, потому что в нашей области наблюдается очень тесная связь между численным моделированием и экспериментами.
Иными словами, у нас есть возможность генерировать много данных — почти любые типы данных, которые мы затем можем использовать для разработки эффективных алгоритмов машинного обучения. Мы сможем понять, какие алгоритмы лучше для того или иного научного приложения. И я надеюсь, что то, что мы уже узнали, может быть применимо и в других областях науки.
Если говорить непосредственно о работе ученого в лаборатории… В ряде областей нейросети, например, помогают проводить дизайн эксперимента, берут на себя часть работы по подготовке к нему. В этом смысле способны ли, на ваш взгляд, нейросети помочь в работе исследователям в области фотоники?
Да, я думаю, что нейросети могут быть очень полезны в целом для проведения исследований. Они могут помочь в разработке новых материалов, молекул и лекарств. В нашей области, на мой взгляд, у них также может быть множество различных применений, которые нам еще предстоит увидеть.
В целом в фотонике применяется много других очень мощных численных методов, которые широко используются. И пока не совсем ясно, для каких исследований нейронные сети будут лучше существующих методов, которые сейчас активно применяются специалистами. Но могу отметить, что мы опубликовали несколько статей, посвященные тому, как нейросети могут быть использованы для решения обратных задач проектирования нанофотонных устройств (одно из соответствующих исследований опубликовано в журнале Science Advances — прим.ред.). Также мы показали, что, когда вам нужно генерировать много разных видов фотонных кристаллов, имеющих одинаковое свойство, или если у вас много разных фотонных кристаллов, и вам нужно очень быстро рассчитать их свойства, нейронная сеть может сделать это намного быстрее, чем другие методы.
Цена, которую вы платите в этом случае, заключается в том, что сначала вы должны собрать и подготовить очень большой набор данных для обучения нейронной сети. Но если вы знаете, что будете выполнять определенную задачу снова и снова, это может быть обоснованным. Все действительно зависит от того, что вы хотите сделать.
На протяжении своей научной карьеры вы поработали в нескольких направлениях. Что вдохновляет вас постоянно менять вектор вашей работы, смотреть шире?
Я предполагаю, что это прежде всего любопытство. Всегда интересно изучать новые области или пытаться использовать новые подходы к темам, которые, казалось бы, уже хорошо изучены. Например, когда начали развиваться нейронные сети, стало очевидно, что они могут предоставить большие возможности для фотоники. И очень любопытно понять, какие именно возможности у нас есть.
Сегодня очень много говорится о том, что, чтобы проводить успешные и действительно актуальные исследования, уже недостаточно оставаться только внутри своей узкой области. Согласны ли вы с этим? И каковы, по вашему мнению, ключевые компетенции, которыми должен обладать современный ученый?
Это достаточно сложный вопрос, потому что в принципе трудно установить границы. В целом я считаю, что действительно важно знать не только вашу область, но быть в курсе того, что происходит в еще одной или двух областях. Я обнаружил, что на стыке между двумя областями всегда есть много возможностей. Поэтому вам действительно не помешает знать больше своей узкой темы, чтобы успешно работать на пересечении.
Есть веские основания полагать, что с течением времени искусственный интеллект будет играть все более важную роль в научных исследованиях. Поэтому я бы определенно рекомендовал молодым людям хотя бы попытаться понять, о чем идет речь в этой области, попытаться освоить хотя бы несколько простых алгоритмов. Тогда, если вы работаете над собственной проблемой, вы сможете посмотреть на нее под другим углом и попробовать использовать для ее решения методы машинного обучения. И даже если вы не владеете этими инструментами в полной мере, обладая элементарными знаниями в области, вы сможете найти коллаборатора, который сможет вам помочь. Думаю, что молодые ученые должны быть открыты к этим новым возможностям, которые предлагает нам развитие искусственного интеллекта.
Вы впервые принимаете участие в конференции МЕТАНАНО. Почему вы решили приехать в Петербург в этом году? Как оцениваете программу и в целом атмосферу на конференции?
Мне поступило приглашение от организаторов конференции выступить на пленарной сессии, и я c удовольствием согласился. Меня приглашали также в прошлом году, но конференция проводилась в сентябре и тогда я не смог быть из-за загруженности в MIT. Сейчас, в середине лета, все сошлось очень удачно. Я внимательно просмотрел программу и могу сказать, что она выглядит действительно здорово. Кроме того, в конференции участвует более 300 человек, что тоже впечатляет.
Вы не первый год знакомы с Павлом Беловым, руководителем Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. Заинтересованы ли вы в будущем сотрудничестве с учеными из России? Над какими исследованиями вам было бы интересно работать вместе?
Павел — один из тех многих людей, которые делают здесь отличную работу. Мы сотрудничаем с исследователями из Университета ИТМО. В частности, Шарль Рок-Карм, один из сотрудников моей группы, сейчас находится в Петербурге и работает над совместными исследованиями (подробнее об этой работе можно почитать здесь — прим.ред.). Это одно из направлений. Кроме того, я знаю, что группа Павла Белова работает над рядом интересных направлений, одно из них связано с повышением эффективности МРТ. Думаю, что это очень перспективная задача.
