Фотоника на смену электронике

В последние годы темпы развития полупроводниковой электроники значительно замедлились. Это связано с тем, что транзисторы, которые лежат в основе таких приборов (к ним относятся, например, компьютер, телефон и любые другие электронные устройства), достигли своего физического предела и по размерам уже приближаются к атомам. Например, физики уже обнаружили фундаментальный предел скорости работы оптоэлектронных и электронных транзисторов. Он не может превышать примерно один петагерц из-за физических ограничений, которые связаны с взаимодействиями электромагнитных волн и электронов. Уменьшать транзисторы и дальше уже практически невозможно, и это значительно влияет на скорость их работы.

Одно из возможных решений — переход к фотонике, когда информация передается не электронами в металлических проводниках, а фотонами в диэлектрических структурах.

Уже сегодня многие электронные приборы замещаются оптическими.

Например, компания Lightmatter в 2020 году объявила о создании фотонного процессора для искусственного интеллекта. Такой процессор использует свет для вычисления и передачи данных — это снижает тепловыделение и, как следствие, энергопотребление, а также значительно повышает скорость работы процессора.

А недавно исследователи из Оксфордского университета разработали первый процессор для фотонных вычислений, в котором используется поляризация света. Использование света повышает плотность хранения информации, а значит, позволяет хранить больше данных и увеличивает производительность вычислений. 

Считается, что в перспективе такие технологии могут помочь создать фотонный компьютер, полностью состоящий из оптических элементов. Чтобы этого достичь, важно изучать существующие и разрабатывать новые оптические методы передачи, хранения и обработки информации. С их помощью можно будет решать многие прикладные задачи: изучать квантовую оптику, арт-объекты, исследовать новые материалы и прочее.

Например, сегодня развивается новое поколение беспроводных коммуникаций — 6G. Для создания таких сетей используется терагерцовое излучение. А с помощью инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучения можно послойно рассмотреть предмет искусства и обнаружить, например, первые карандашные наброски автора и скрытые надписи. С помощью одного из таких методов реставраторы национальной галереи Шотландии недавно обнаружили автопортрет Винсента ван Гога, спрятанный на обратной стороне другой его картины «Голова крестьянки». Специалистов с такими знаниями и навыками и будут готовить в новой магистратуре ИТМО ― «Прикладная фотоника».

Как устроено обучение

Особенность программы в том, что она объединяет сразу четыре направления в области фотоники. Сотрудники НОЦ фотоники и оптоинформатики развивают эти направления в ИТМО последние 40 лет, а некоторые — например, арт-фотоника — зародились в этом подразделении.

В первом семестре программы студенты познакомятся с основами квантовых технологий, оптических методов передачи, хранения и обработки информации, оптических материалов и фемтосекундных и терагерцовых технологий. В дальнейшем студенты смогут выбрать конкретную специализацию.

Всего их четыре:

• Материалы фотоники. Это единственная в России специализация, где будут готовить специалистов по оптическим материалам и технологиям. Здесь студенты смогут изучить весь путь работы с материалами: от разработки новых оптических материалов и технологий (включая квантовые и фемтотехнологии) до создания элементов и устройств фотоники нового поколения.
• Арт-фотоника. Специализация посвящена экспериментальным оптическим методам, которые позволяют анализировать произведения искусства. Здесь студенты смогут познакомиться, например, с методами спектроскопии, с помощью которых можно оценивать химический состав красителей и полотна арт-объектов. А с помощью терагерцовой визуализации научатся оценивать структуру исследуемого объекта и проводить дефектоскопию.
• Квантовые коммуникации. Студенты этой специализации смогут обучаться на специальном стенде, созданном при поддержке ОАО «РЖД». Стенд представляет собой реальное оборудование магистральной квантовой сети. Также обучающиеся смогут поработать в корпорации-партнере ОАО «РЖД» и применить свои навыки для решения задач компании-партнера «Смартс-Кванттелеком». Специализация входит в дорожную карту развития высокотехнологичной области «Квантовые коммуникации» на период до 2024 года. 
• Сверхбыстрая фотоника. Специализация заточена на широкий набор компетенций на стыке фемтосекундной и квантовой оптики. Также студенты познакомятся с особенностями квантовой оптики и технологическими аспектами квантовых коммуникаций. На практике такие навыки позволяют создавать защищенные каналы передачи данных. Помимо этого студенты изучат новые способы передачи и обработки информации в оптическом и терагерцовом диапазонах спектра. Их можно применять при создании 6G-коммуникаций, в системах неразрушающего контроля и при дефектоскопии композитных материалов. 

Прочитайте также:

Терагерцы для живописи: как исследования ученых из России и Франции помогают восстанавливать предметы искусства

Междисциплинарный подход: как в ИТМО изучают культурное наследие вместе с Русским музеем и учеными из Франции

Где работать после выпуска

В большей степени программа ориентирована на подготовку научных кадров. Также магистры смогут работать на производствах партнеров программы: ЦНИИ «Электроприбор», корпорация «Комета», НПО «Криптен», «Смартс-Кванттелеком», «РЖД», НИИ Точной механики, Лыткаринский завод оптического стекла, НТО «ИРЭ-Полюс».

Выпускники программы смогут претендовать на должность научного сотрудника, сервис-инженера, администратора центра управления и мониторинга, администратора трафика магистральной квантовой сети, инженера-исследователя, инженера-проектировщика, специалиста по музейным программам, а также разработчика баз данных.

Кому подойдет магистратура

В первую очередь на программе ждут студентов, которые обладают базовыми знаниями в области оптических технологий и физической оптики.

Как поступить на программу

Всего на программе предусмотрено 20 бюджетных мест. Поступить можно несколькими способами:

• Сдать вступительный экзамен.
• Собрать научные, учебные и профессиональные достижения и победить с ними в конкурсе портфолио ИТМО.
• Стать победителем или призером Мегаолимпиады ИТМО.
• Стать победителем или призером олимпиады «Я — профессионал».
• Стать победителем или призером в конкурсе докладов всероссийского конгресса молодых ученых.
• Стать победителем конкурса «Науке нужен ты!».
• Предоставить рекомендательное письмо от руководителя программы.
• Перезачесть результаты итоговой государственной аттестации.