Оптический пинцет, квантовая криптография и 3D-телевидение: какие возможности открывает новое учебное оборудование Нового физтеха ИТМО

Установки от лидеров оптического оборудования

Лаборатории по оптике пополнились оборудованием от американской фирмы Thorlabs, которая специализируется на широком спектре продукции: от оптики и оптомеханических компонентов до измерительного оборудования и лазерных источников. На этом оборудовании работают научные сотрудники физико-технического факультета, а теперь возможность познакомиться с высокотехнологичным и современным оборудованием появится даже у студентов бакалавриата. Все оборудование будет использоваться в лабораторном практикуме курса общей физики у бакалавров 1 и 2 курса Университета ИТМО.

Новые установки расположены в двух корпусах Университета ИТМО — на улице Ломоносова и Биржевой линии. В корпусе на Ломоносова учебное оборудование разместилось рядом с профессиональным оборудованием, на котором делают эксперименты ученые и аспиранты факультета. 

«Чем раньше студенты познакомятся с работой на современном оборудовании, тем проще им будет в будущем проводить самостоятельные исследования. Ранее процесс вхождения студентов в научную экспериментальную лабораторию занимал достаточно длительное время, так как ребята не имели представления о том, как работать с оборудованием», — рассказала Яна Музыченко, заместитель декана физико-технического факультета Университета ИТМО.

В рамках курса общей физики на новом оборудовании смогут выполнять эксперименты студенты второго курса мегафакультета фотоники. Среди новых установок — «Оптический пинцет», «Квантовый ластик», «Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света», работы по квантовой криптографии и технологиям трехмерного кино.  

Оптический пинцет

Принцип действия оптического пинцета основан на том, что световой поток обладает импульсом и при изменении его направления возникает соответствующий импульс отдачи, который тормозит движение микрочастицы, задерживая ее в подвешенном состоянии.

На сегодняшний день существует много видов оптических ловушек, которые позволяют удерживать не только микрочастицы, но и охлаждать атомы. Эта технология важна для многих прикладных исследований, в частности, для биологических. С помощью оптического пинцета биологи могут осуществлять манипуляции с различными типами молекул и клеток.

«Студенты ИТМО смогут сделать первые шаги в работе с оптическими ловушками, собрать полностью работающую экспериментальную установку, изучить механизм захвата и экспериментально реализовать его, научиться манипулировать перемещением частицы размером в единицы микрон. К тому же, набор можно использовать для более сложных экспериментов, таких как исследование броуновского движения объектов», — рассказывает Екатерина Ефремова, старший преподаватель физико-технического факультета ИТМО.

Квантовая криптография

Методы шифрования информации разрабатывались и совершенствовались с глубокой древности. Можно ли создать абсолютно защищенную информацию? С точки зрения математики необходимо выполнение трех условий: «ключ» должен использоваться только один раз, состоять из абсолютно случайных чисел и иметь длину, равную длине сообщения. Основным условием является использование ключа только один раз. Именно нарушение этого правила позволило расшифровать сообщения, используя знаменитую «Энигму» во время Второй мировой войны.

В предлагаемой лабораторной работе реализуется оптический аналог формирования и передачи «ключа» с использованием базисных состояний поляризации света, а именно протокол квантового распределения ключей Беннетта-Брассара, кроме того, в установке предусмотрено подслушивающее устройство.

Студенты узнают, как кодируется информация с помощью двух наборов ортогональных базисов поляризации, почему такой ключ может быть передан по открытому каналу и как подслушивающее устройство вызывает ошибки.

В дальнейшем эта работа будет рекомендоваться к выполнению студентам IT-специальностей для знакомства с физическими принципами квантовой криптографии.

Лабораторный комплект по оптической микроскопии

Он предназначен для поддержки учебного курса по оптической микроскопии и основан на курсе, читаемом в Калифорнийском университете в Беркли. Современная оптическая микроскопия — это университетские лаборатории с микроскопами, многие из которых стоят более 100 тысяч долларов. Существуют лаборатории, выполняющие микроскопию с использованием фемтосекундных лазерных импульсов, лаборатории, достигающие разрешения ~ 3 нм с использованием флуоресценции (такое разрешение намного ниже «предела разрешения по Рэлею»), биологические лаборатории, которые регулярно используют микромасштабную трехмерную оптическую реконструкцию. Оптическая визуализация — это современная область науки, в которой регулярно появляются новые сложные методы.

Лабораторные работы начинаются с самых простых заданий, которые знакомят студента с созданием простейших оптических схем с фиксацией изображения на цифровую камеру высокого разрешения. Далее выполняются более сложные задачи, связанные с оптическими аберрациями, осветителем Кехлера и темнопольной микроскопией.

Идея этого курса состоит в том, чтобы представить основные концепции, которые инженеры-оптики и специалисты по микроскопии используют для проектирования, расчетов и создания своих собственных систем. Методическая поддержка комплекса описывает 10 основных лабораторных работ, которые можно практически бесконечно дополнять и расширять, пользуясь полной совместимостью различных оптических компонентов ThorLabs.

Проектный подход к выполнению лабораторных работ

Новое оборудование позволяет поддерживать проектный подход в обучении, который уже давно зарекомендовал себя как эффективное средство мотивации студентов к обучению. 

«Классический лабораторный практикум всегда предполагает наличие указаний к работе, четкой последовательности действий, которую должен выполнить студент, чтобы получить результат. Зачастую студент даже не вникает в суть работы и просто следует определенному алгоритму. Некоторым такой подход не интересен, они хотят перейти от рутинных заданий из методички к самостоятельному решению задач. Любая из описанных лабораторных работ может быть собрана с “нуля”, то есть. первым заданием для студента является, собственно, сборка установки в зависимости от цели эксперимента. Конечно, это повышает трудоемкость лабораторных работ, но пропорционально растет и вовлеченность студента в эксперимент», — пояснила Яна Музыченко.

Так, проектной задачей может стать реализация схемы спектрометра своими руками. Используемые в современных лабораториях спектрометры представляют собой некий «черный ящик», в котором с одной стороны находится источник излучения, а с другой выводится его спектр. Лабораторный комплект позволяет изучить роль каждого элемента оптической схемы, посмотреть, как взаимодействуют отдельные компоненты схемы.

Помимо оптического оборудования, уже в этом семестре был введен в учебный процесс нанокласс ФТФ. Нанокласс оснащен оборудованием, разработанным и изготовленным в Технопарке ИТМО компанией «НТ-СПб». В составе нанокласса четыре сканирующих зондовых микроскопа, установка для изготовления нанозондов и виртуальные тренажеры. Ранее, оборудование нанокласса использовалось при работе с одаренными школьниками: на проектной смене в Сириусе или на Летней практике школьников из физмат-школ города. Теперь такая возможность появилась и у студентов Университета ИТМО.