Световые технологии, фотоника и метаматериалы: истории молодых учёных Университета ИТМО
Выпускники вуза простыми словами объясняют, чем они занимаются.
Материал подготовлен при поддержке Университета ИТМО
Представления об учёных у людей, с наукой не связанных, часто не имеют ничего общего с реальностью. Мы нашли трёх молодых сотрудников научных лабораторий, и узнали, как на самом деле живут ученые, чем занимаются и что считают успехом.
Ассистент кафедры фотоники и оптоинформатики ИТМО Владимир Егоров
«Если бы я не занялся квантовыми коммуникациями, я бы с удовольствием подался в археологию, стал бы изучать какие-нибудь доколумбовы цивилизации Центральной Америки. Кажется, это потрясающе интересно», — говорит Владимир Егоров. Для ученого-«технаря» у него необычные хобби: он изучает совершенно ненужный для работы испанский язык, занимается йогой, коллекционирует винил и «немного паяет» — просто для души. В оставшееся время Егоров любит поиграть в компьютерные игры.
Владимир Егоров родился в Ленинграде в 1988 году. Он не собирался заниматься физикой и вообще наукой. «Родители отдали меня в очень хорошую английскую гимназию, почувствовав «ветер перемен». Они вложили очень много труда, чтобы я изучал английский язык. И хотя сейчас я научный сотрудник, многим из того, чего я добился, я обязан именно хорошему знанию английского», — говорит Владимир.
Технический факультет стал спонтанным выбором. Когда Егоров решал, куда пойдет учиться дальше, восемнадцать человек из его класса собирались на экономический факультет.
Егоров рассматривал несколько вузов, и главную роль в выборе ИТМО сыграла личность: «Нас встретил бессменный заведующий кафедрой фотоники и оптоинформатики Сергей Аркадьевич Козлов. Он тогда произнес очень вдохновенную речь, и я подумал: «Вот человек, который хорошо понимает, что у него происходит на кафедре». Буквально сразу после этого я побежал на эту кафедру и сказал, что хочу поступать сюда». После подготовительных курсов и работы с репетиторами Егоров поступил в ИТМО, окончил бакалавриат и магистратуру на кафедре фотоники и информатики. В аспирантуру пошел на другую кафедру — заниматься оптическим материаловедением.
«Наш коллектив — лаборатория квантовой информатики и квантовых коммуникаций — выступает в науке очень активно. Я работаю в этой команде уже 11 лет. Мне посчастливилось познакомиться с профессором Юрием Тарасовичем Мазуренко, который являлся одним из пионеров квантовых коммуникаций в России. Вся эта область начала экспериментально развиваться в 1992 году (сама идея появилась ещё в 1984), а Юрий Тарасович начал этим заниматься в России в 1997, почти с самого начала. Он скончался в 2010 году, но было решено работу не сворачивать», — вспоминает Егоров.
Что такое квантовые коммуникации
Группа, в которой работает Егоров, занимается квантовыми коммуникациями. Это принципиально новый способ защиты данных в оптических сетях. Сейчас данные защищаются в основном математическими методами — их изменяют до неузнаваемости, используя специальные параметры, называемые «ключами». Для того, чтобы прочитать зашифрованные данные, нужно ими обладать. Это то, что требует Роскомнадзор от Telegram. Сами данные защищены ключами, но вопрос в том, как эти ключи передать.
Обмен ключами между пользователями — самый важный процесс для безопасности. За последние десять лет существенно улучшились квантовые компьютеры, которые теоретически способны довольно быстро подбирать используемые сегодня ключи.
С появлением квантовых компьютеров современные системы безопасности станут уязвимыми.
«Квантовые коммуникации — это новый способ распределения ключей, основанный уже не на математике, а на законах физики. Для рассылки ключей тут используется квант света — фотоны. Одиночные фотоны нельзя незаметно измерить, нельзя разделить, нельзя увести из канала незаметно — если кто-то попытается перехватить квантовые ключи, то этот перехват будет заметен. Предполагается, что подобные методы лягут в основу информационной безопасности в будущем. То есть, вместе с математикой в безопасности будет использоваться ещё и физика», — объясняет Егоров.
Исследователи в Университете ИТМО пока в меньшей мере занимаются квантовыми компьютерами, но активно разрабатывают средства борьбы с угрозами, исходящими от них. «В России, конечно, ведутся разработки компьютеров, но не могу говорить за других специалистов. В США, думаю, в диапазоне 10−15 лет мы увидим прикладной квантовый компьютер, который будет делать что-то полезное», — говорит Егоров.
Интересно, что американцы почти не вкладываются в квантовые коммуникации, то есть в средства защиты: они все силы и финансы направили на средства условного нападения, основанные на квантовых вычислениях.
А китайцы — наоборот. Они первыми в мире в прошлом году запустили спутник с квантовой связью, потом сделали квантовую сеть протяженностью две тысячи километров между Пекином и Шанхаем. Она и сейчас продолжает развиваться.
В России ведутся и те, и другие разработки, но по коммуникациям пока ещё активнее, так что мы ближе к китайской лиге.
Владимир Егоров
Гуманитарий среди технарей
Не так давно Владимир с коллегой ездили в канадский университет Уотерлоу, в лабораторию квантового взлома. Это лаборатория «квантовых хакеров», которые не делают системы квантовой коммуникации, а придумывают, как их взломать инженерными методами. Пока работа над квантовым взломом носит чисто научный характер — это эксперименты.
Гуманитарный бэкграунд даёт о себе знать в технической повседневности — Владимир Егоров отвечает в группе за научные публикации.
Даже когда основную работу проделали другие люди, научные статьи чаще всего пишу я, как на русском, так и на английском. Как человек, закончивший гуманитарную английскую школу, я адекватно излагаю свои мысли на обоих языках. Я такой гуманитарий, который пристроился среди инженеров. Так что я у нас, как писатель, — главный.
Владимир Егоров
«У меня есть ощущение, что я занимаюсь чем-то полезным. Если бы мне предложили вдвое больше денег, но пришлось бы заниматься монотонной, менее интересной работой, — я бы отказался. К тому же есть совершенно утилитарный аспект: на бутерброд с сыром хватает и мне, и моей семье. Нельзя сказать, что ученые живут впроголодь, по крайней мере, в Санкт-Петербурге. За другие регионы, конечно, не могу ручаться, но надеюсь, что в научных центрах всё примерно так же», — считает Егоров.
О признании и научных наградах ученый говорит с долей юмора. «У меня есть видение того, за что я бы хотел получить Нобелевскую премию. Но пока нет видения, как это реализовать. Всё дело в том, что я хочу получить премию исключительно за открытие телепортации макроскопических объектов. Знаете, чтобы не кванты телепортировать, а выйти из дома, нырнуть в портал и оказаться на работе. И не надо спускаться в метро. Вот это я понимаю — Нобелевская премия», — улыбается Владимир.
Аспирантка физико-технического факультета Университета ИТМО Алёна Щёлокова
Для кого-то мотивом становятся амбиции, другие идут в науку, чтобы приносить пользу. Аспирантка Университета ИТМО Алёна Щёлокова относит себя к последним. Несмотря на сугубо техническую специализацию, девушка считает себя не «технарём», а скорее творческим человеком.
Щёлокова всегда увлекалась точными науками, особенно физикой. Когда девушка училась в одиннадцатом классе, в её физико-математическую гимназию приехали представители ИТМО. Они рассказали, что есть возможность поступить на учебу в Санкт-Петербург. Такая перспектива показалась интересной.
Тем же летом девушка поступила в вуз на кафедру фотоники и оптоинформатики. «Я считаю, что мне очень повезло с людьми, которых я встретила в университете. Моим научным руководителем стал Павел Белов (декан физико-технического факультета Университета ИТМО — vc.ru). В 2010 году я начала с ним работать, в том же году он выиграл мегагрант совместно с профессором из Австралии Юрием Кившарем и открыл в нашем университете международную лабораторию».
Со стереотипом, что ученые физики — это скучные люди, которые сидят у себя в каморках и, бубня под нос, пишут некие формулы, Щёлокова не согласна.
Физики — весёлые и открытые люди, да и сама по себе научная работа — процесс очень интересный. Благодаря научной деятельности у меня появилось много интересных знакомых, возможность поездить по миру, быть участницей крупных международных конференциях .
Существует устаревший стереотип, что технари — это, как правило, мужчины. Но я вижу очень много женщин, которые успешны в науке, в том числе и в нашей сфере.
Алёна Щёлокова
Как улучшить МРТ
В ИТМО Щёлокова окончила бакалавриат, затем магистратуру, а нынешней осенью планирует защитить кандидатскую диссертацию. Её тема связана с прикладными исследованиями — в частности, с разработкой устройств нового поколения на основе метаповерхностей для улучшения работы клинических магнитно-резонансных томографов (МРТ).
Метаповерхности — это искусственные материалы нового поколения, обладающие уникальными свойствами, которых нет у природных материалов. За счёт того, что они имеют определенную структуру, они могут, например, управлять распределением ближнего электромагнитного поля, что играет важную роль в магнитно-резонансной томографии.
За последние четыре года группе, в которой работает девушка, удалось перейти от идеи к практической реализации. Ученые создали устройство, которое способно значительно увеличить чувствительность стандартных клинических МРТ-систем, и с его помощью уже исследованы несколько волонтеров. Сейчас группа работает с врачами и пациентами, помогая решать клинические задачи, которые сложно выполнить с помощью стандартных устройств и технологий.
Изображение МРТ, которое видит врач, характеризуется отношением сигнал-шум. Чем больше этот коэффициент, тем более качественную картинку можно получить. Для достижения хорошего результата обыкновенно нужно 30−40 минут — примерно столько длится стандартный МРТ-протокол. Это неудобно не только пациенту, которому нужно пролежать всё это время в томографе, но и клинике.
Устройства, разрабатываемые научной группой Университета ИТМО, позволяют существенно улучшить качество получаемых на МРТ изображений за то же или даже меньшее время.
Как зарабатывают ученые
Научные гранты позволяют ученым жить и работать над проектами, но группа, в которой работает учёный, нацелена также и на коммерциализацию своего изобретения. С 2017 года разработчики сотрудничают с канадско-британской компанией Mediwise, которая занимается разработкой современных медицинских устройств, и заказывают у питерских ученых определенные работы. Это помогает перейти от университетских разработок к конкретному продукту, который можно продавать.
Кроме того, в Санкт-Петербурге ученые проводят свои исследования совместно с медиками из Национального медицинского центра им. В.А. Алмазова. Перед группой ставятся клинические задачи, которые она пытается решить с помощью своих устройств.
Исследователи пытаются развивать свой проект в России как стартап. В 2016 году они выиграли грант в размере 2 млн рублей по программе «Старт» Фонда содействия инновациям. В 2017 году заняли первое место в конкурсе лучших инновационных проектов в сфере науки и высшего профессионального образования Санкт-Петербурга. Сейчас идут активные поиски инвесторов для выхода на промышленный уровень реализации радиочастотных устройств нового поколения для МРТ.
Сделать мир лучше
Щёлокова планирует продолжать работать в России и развивать начатые проекты.
Сейчас наступил важный этап, и есть два направления движения. Первое — это довести устройство до вида готового продукта. На мой взгляд, применение нашей разработки позволит в целом сделать процедуру МРТ более доступной. Второй момент — хочется работать с врачами, решать конкретные клинические задачи.
Например, мы начали проект по исследованию молочных желез. Это очень актуальная задача, поскольку рак молочной железы — это самый распространенный вид рака у женщин. Мы пытаемся разработать устройство, с помощью которого можно будет проводить диагностику заболевания на ранних стадиях
Алёна Щёлокова
Девушка убеждена, что работая в науке можно достичь жизненного успеха. «Каждый человек сам для себя определяет, что такое успех. В науке есть определенные критерии — например, такой показатель, как индекс Хирша. Мы пишем статьи, другие учёные их читают, подхватывают идеи и цитируют уже в своих работах. Чем больше людей на них сослалось, тем выше у тебя индекс, и тем ты успешней. Также считаются успешными ученые, которые смогли вырастить свою научную группу. Но я вкладываю в понятие успеха возможность сделать мир чуть лучше», — делится Щёлокова.
Заведующий лабораторией кафедры световых технологий и оптоэлектроники ИТМО Сергей Щеглов
Сергей Щеглов родился и вырос в городе Кронштадт, где учился в обычной средней школе. «Так получилось, что к моменту, когда надо было выпускаться, более точные предметы — физика и математика — давались мне намного легче остальных. Поэтому путь для меня был вполне определенным: было ясно, что будущее связано с техническими науками, не с гуманитарными», — рассказывает Щеглов.
Школу Щеглов окончил в 2000 году с решением поступать на ФОИСТ (факультет оптико-информационных систем и технологий), кафедру ПиКО (прикладной и компьютерной оптики) в ИТМО. Молодой человек выбрал специальность оптика-расчетчика.
О научной карьере в начале речи не было — Сергея интересовали более прикладные вещи. «На мой взгляд, большинство молодых людей, которые поступают в институт, не всегда представляют, чем они на самом деле будут заниматься. Некоторые приходят в вуз просто для того, чтобы получить какую-то корочку. Так получилось, что из нашего выпуска работать по специальности остались всего пара человек. Все остальные выбрали другие направления и профессии», — делится он.
После третьего курса юноша попал на практику в ГОИ — Государственный оптический институт. Его, как «наиболее успевающего», и еще трех студентов оставили на попечительство руководителю лаборатории, Михаилу Абрамовичу Гану.
Михаил Абрамович задал нам контрольную задачку — это был некий входной ценз, по которому оценивался реальный уровень знаний и подготовки студента. Из четырёх человек остался только я, остальные перешли в другие более лёгкие группы.
А так как я был один, мне уделили достаточно времени и внимания. Я попал в отдел, где больше не было молодых людей, но были несколько заслуженных мастеров, которые имели колоссальный опыт в расчёте, проектировании, изготовлении и настройке различных оптических систем.
Буквально за месяц они меня серьёзно натаскали. Наверное, с этого момента я стал понимать, что такое моя специальность, что такое расчёт и проектирование реальных систем, что меня ждёт в профессиональной области. И решил, что я хочу этим продолжить этим заниматься
Сергей Щеглов
На тот момент, средний возраст большинства сотрудников ГОИ составлял 60−70 лет, молодежи практически не было. Смены поколений не наблюдалось, но некоторые лаборатории и отделы умудрялись выигрывать достаточно интересные проекты и выживать за счет этого. «Как раз одной из таких лабораторий была та, в которую я попал, — рассказывает Сергей. — Были и лаборатории, которые вообще ничего не делали. Но мне повезло — я попал в хорошую компанию, и понял, что наука жива, наша специальность востребована и можно делать интересные вещи».
После трёх лет работы в ГОИ, совмещённых с учёбой в ИТМО, Сергей резко поменял направление деятельности — был проектировщиком оптических систем, и ушел в светодиодную отрасль. «И там и там, вроде бы, работа со светом, но это была уже совсем другая сфера: другие задачи, другие приборы, другие законы», — рассказывает Щеглов.
Передача данных при помощи света
Сейчас Щеглов заведует светотехнической лабораторией на кафедре световых технологий и оптоэлектроники в ИТМО. Один из крупных проектов, которым он занимается, посвящен технологии Li-Fi. Вместе с группой коллег-ученых Сергей работает над системой передачи данных при помощи света, в том числе, для интернета вещей в городском пространстве.
Мы с коллегами занимаемся разработкой приёмо-передаточной части — грубо говоря, модема, который использует видимый свет для передачи данных. У нас есть передатчик, в котором используются обычные светодиоды видимого цвета излучения, но могут использоваться и инфракрасные светодиоды. В приёмнике, в свою очередь, используются фотодиоды, которые могут принимать как видимый диапазон, так и инфракрасный.
Используя мерцание высокой частоты, способность светодиодов достаточно быстро переключаться, мы можем обмениваться данными, значительно увеличив скорость передачи по сравнению с Wi-Fi. Кроме того, это удобно — мы превращаем обычные светильники, которые уже используются, ещё и в точку доступа.
Сергей Щеглов
Еще один важный нюанс — секретность. Радиоволны могут проходить через стены, то есть, при связи по Wi-Fi радиосигнал может быть легко считан, а данные — украдены и расшифрованы. Модулированный свет из помещения далеко не уйдет, и скрытно перехватить такой сигнал гораздо труднее — он воспринимается и передаётся в зоне прямой видимости. Это делает технологию Li-Fi привлекательной для военных. Видимо, поэтому работы в коллаборации с зарубежными партнерами по этой теме не предполагается.
«Международная обстановка не располагает, и это одна из технологий, которой ни мы, ни наши западные коллеги не готовы обмениваться. Да, что-то можно подсмотреть, чем-то похвастаться, но чтобы тесно работать над проектом — нет», — разводит руками Сергей.
Впрочем, секретно в этой теме далеко не всё — разработки лаборатории, в которой трудится Сергей, можно встретить на профильных выставках.
На одной из выставок демонстрировалось, как маленький светильник передавал информацию, а приёмником выступало устройство размером с флешку.
Вырос сам — помоги другому
Рассуждая об успешности, Щеглов, как и его коллеги, говорит не только о научной сфере, но и о собственных жизненных приоритетах: «Кого-то привлекает возможность реализации собственных проектов, для кого-то успех — это общемировое признание, выступление на всевозможных конференциях».
Для меня быть успешным — это значит заниматься теми вещами, которые актуальны в мире и интересны лично тебе. Ну, а если говорить о понятии «успешный ученый» — то это, наверное, деятель науки, результаты работы которого приняты научным и профессиональным сообществом, и сами результаты представляют практическую ценность для использования и реализации.
Сергей Щеглов
Думая о выборе жизненного пути, Сергей пришел к выводу, что идеалом было бы не только какое-либо техническое направление, позволяющее что-то создавать руками, но и работа, связанная с людьми.
«Сочетание работы над техническими проектами для получения конкретных приборов, систем и ещё обучение, работа со студентами, живое общение, наставничество — это показалось важным и нужным. Взращивание хорошего специалиста, от магистра или бакалавра — это такая нетривиальная задача, — говорит Сергей. — В чистом виде преподавание — не совсем моё, а вот наставничество, возможность стимулировать развитие специалиста — это вот то самое, что меня привлекает».
Карьеру в науке можно начать с выбора образовательной программы магистратуры на мегафакультете фотоники Университета ИТМО. В 2018 году там будет более 20 специализаций магистратуры по научно-технологическим вызовам будущего.
#партнерский
© vc.ru
