Инженерный тур. 3 этап
Команда получает техническое задание на разработку прототипа квантового генератора случайных чисел — одного из ключевых элементов систем защиты и передачи данных, численного моделирования комплексных процессов.
Участникам предстоит разработать, собрать и протестировать квантово-оптическое устройство, способное генерировать случайную числовую последовательность с максимально возможной длиной числовой последовательности и скорости ее генерации.
Команда получает заказ на создание полезной модели квантового-оптического устройства, способного генерировать длинные случайные числовые последовательности. В качестве заказчика может выступать, например, компания, которая обеспечивает услугу безопасной связи в сети интернет, которой нужны эти последовательности для создания ключей шифрования высокой стойкости.
Участникам необходимо применить знания по основам квантовой физики, оптике и статистике для того, чтобы:
- создать подобное устройство,
- доказать, что их числовые последовательности действительно случайны (пройти соответствующие тесты),
- рассчитать характеристики разработанного устройства по длине и скорости генерации числовой последовательности.
Предполагается, что устройство будет работать и встраиваться в сетевую архитектуру, поэтому применение криогеники и сильно излучающих материалов не допускается.
Таким образом, для достижения поставленных целей участникам понадобятся оптоволоконные компоненты, детекторы лазерного излучения, осциллографы и ПК с удобной средой разработки программ.
Количество участников в команде: 3–4 человека.
Компетенции, которыми должны обладать члены команды:
- Инженер-оптик: разрабатывает и реализует схему будущего устройства, отвечающую заявленным техническим требованиям; разрабатывает и проводит калибровочные измерения.
- Физик-теоретик: проводит все предварительные расчеты схемы будущего устройства; совместно с инженером-оптиком разрабатывает систему оценки технических характеристик устройства, систему оценки погрешностей при проведении калибровочного измерения.
- Программист: создает программный код для обработки данных, получаемых с устройства, использует его для обработки данных калибровочного измерения.
- Менеджер научных проектов: создает сопроводительную документацию к устройству — описывает его принцип работы, полностью и исчерпывающе перечисляет технические характеристики, комментирует особенности обращения конечного пользователя с устройством и программным кодом, описывает проведение и результаты калибровочного измерения; готовит продуктовую концепцию конечного устройства, курирует финальную презентацию продукта комиссии (заказчику).
Необходимо отметить, что распределение ролей может не быть жестко фиксированным. Так, например, менеджер научных проектов вполне способен помогать в поиске информации и обработке результатов.
| Наименование | Описание |
|---|---|
| Оптическая установочная плита | Массивная алюминиевая плита для установки и монтажа оптических и оптоэлектронных компонентов с помощью стандартизированных разъемных соединений |
| Двухканальный фотоприемник | Двухканальный полупроводниковый детектор для регистрации электромагнитного излучения видимого диапазона |
| Волоконный разветвитель \(1 \times 2\) | Оптоволоконный элемент для разделения интенсивности излучения в заданном отношении между выходными портами |
| Розетки FC-UPC | Приспособления для разъемного соединения оптоволоконных элементов |
| Держатели для розеток | Приспособление для монтажа розеток на оптической установочной плите |
| Держатели для разветвителей | Приспособление для эргономичного и безопасного монтажа оптоволоконных элементов на оптической установочной плите |
| Крепежные болты | Болты с полной резьбой М6 под внутренний шестигранник различной длины из нержавеющей стали для монтажа элементов на оптической установочной плите |
| USB-камера | Оптоэлектронный матричный детектор излучения видимого диапазона |
| Патчкорд SM FC-UPC | Коммутационный оптоволоконный одномодовый кабель для соединения элементов по стандарту соединительных приспособлений FC-UPC |
| Патчкорд MM FC-UPC | Коммутационный оптоволоконный многомодовый кабель для соединения элементов по стандарту соединительных приспособлений FC-UPC |
| Отвертка | Ручной слесарный монтажный инструмент, предназначенный для завинчивания и отвинчивания крепежных изделий с резьбой |
| Источник лазерного излучения | Источник когерентного оптического излучения видимого диапазона |
| Осциллограф | Прибор, предназначенный для исследования амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала от фотодетектора, подаваемого на его вход, и наглядно отображаемого непосредственно на экране |
Решение поставленной задачи состоит из четырех модулей:
- модуль А «Разработка схемы устройства»;
- модуль В «Сборка оптической схемы»;
- модуль С «Обработка данных»;
- модуль D «Подготовка отчета и защита решения».
В качестве результатов выполнения инженерной задачи команды должны представить экспертам:
- Чертеж оптической схемы устройства.
- Собранную и отъюстированную (настроенную) оптическую систему устройства с использованием предоставленного организаторами оборудования.
- Программный код для обработки данных с осциллографа, результат работы программного кода для двух наборов данных, эталонного и экспериментального, файл с функциональной схемой программного кода.
- Текстовый отчет с подробным описанием принципов работы готового квантово-оптического устройства, принципов работы программного кода, результатами обработки экспериментальных данных, погрешностей результатов, описанием программных тестов на работоспособность и результатов их прохождения, пошаговой инструкцией для конечного пользователя.
- Устное представление готового квантово-оптического устройства на 5 мин, сопровождаемое презентацией.
На данном этапе команды должны создать чертеж оптической схемы будущего устройства, опираясь на перечень оборудования, предоставляемого каждой команде. Чертеж должен удовлетворять требованиям технического задания.
Артефакты модуля: чертеж на бумаге.
В модуле В командам необходимо, опираясь на разработанный в модуле А чертеж, произвести непосредственную сборку квантово-оптического устройства с использованием предоставленного оборудования. Сборка должна осуществляться при строгом соблюдении правил техники безопасности. Готовая система фотографируется экспертами.
По окончании выполнения заданий этого модуля эксперты в присутствии представителя команды выполняют подключение измерительной техники (осциллографа) к собранному устройству, настраивают осциллограф и получают экспериментальные данные в электронном виде. Полученные данные сохраняются экспертами и передаются на флеш-накопителе команде для дальнейшей обработки.
Артефакты модуля:
- прототип устройства на лабораторном стенде;
- три фотографии установки, выполненные экспертами с разных ракурсов;
- осциллограмма, снятая экспертами.
Теперь командам необходимо разработать алгоритм, принимающий решение о работоспособности готового устройства на основе совокупности данных о прохождении не менее трех различных тестов и создать программный код, который реализует этот алгоритм. Программа получает на вход данные эксперимента и выводит для каждого из тестов:
- название теста;
- название параметра, определяемого тестом;
- числовое значение параметра, определяемого тестом;
- общий вердикт алгоритма — результат прохождения совокупности тестов.
Программный код необходимо дополнить функциональной схемой, которая оформляется отдельным файлом в формате pdf.
Предполагается, что программный код одинаково качественно обработает два набора данных:
- эталонный набор, который предоставляется экспертами каждой команде в начале работы над модулем С;
- набор экспериментальных данных, которые команда получает от экспертов в результате выполнения модуля В.
В качестве языка программирования рекомендуется использовать язык Python.
Артефакты модуля:
- файл с программным кодом в формате
.py(или.txtдля языков программирования кроме Python), - файл с функциональной схемой в формате
.pdf, - два файла с результатами работы программы на эталонном и экспериментальном наборах данных в формате
.txt.
Здесь командам необходимо составить подробный отчет о проделанной работе в двух форматах: текстовый отчет и презентация готового продукта.
Текстовый отчет должен содержать:
- Титульный лист с названием мероприятия, местом проведения, названием команды, списком участников и их распределением по ролям, датой составления отчета.
- Подробное описание разработанного устройства с пояснением физических и математических принципов его работы (модули А, B).
- Подробное описание принципов работы программного кода (модуль C).
- Результаты, полученные при обработке эталонных и экспериментальных данных, суть разработанных программный тестов и результаты их прохождения (модуль C).
- Пошаговую инструкцию по настройке готовой оптической схемы и использованию программного кода для потенциального конечного пользователя разработанного устройства.
Отчет может содержать схемы, рисунки, фотографии, таблицы и другой графический материал на усмотрение команды.
Презентация готового продукта должна состоять не более, чем из пяти слайдов, включая титульный, и содержать:
- Актуальность решаемой задачи.
- Принцип работы готового устройства.
- Краткие технические характеристики готового устройства.
- Смысл программных тестов на работоспособность устройства.
- Указание преимуществ готового устройства перед потенциальными конкурентами.
Защита проектов состоит из двух частей:
- устное выступление, сопровождаемое презентацией — 3–5 мин;
- собеседования с командой в формате сессии вопросов-ответов — 3–5 мин.
Защита проектов оценивается комиссией из трех экспертов профиля и проводится в отдельном звукоизолированном помещении на площадке проведения профиля. Команде может быть задано не более пяти вопросов. Эксперты могут адресовать вопросы конкретному участнику команды согласно его заявленной роли.
Артефакты модуля:
- текстовый отчет в формате
pdf, - презентация в формате
pdf.
По каждому критерию выставляется либо максимальный балл, если требование выполнено, либо 0 баллов, если требование не выполнено.
| Описание критерия | Комментарии | Балл |
|---|---|---|
| Модуль А. Разработка чертежа схемы устройства | ||
| Схема разработана с учетом правил обращения с лазерным, оптическим и измерительным оборудованием и требований техники безопасности | Если не выполнено, баллы за модуль обнуляются; участникам выдается схема, подготовленная экспертами | 2 |
| На схеме обозначены все необходимые геометрические размеры, габаритные характеристики схемы с точностью до 3 см | 2 | |
| На схеме обозначены все элементы устройства | 2 | |
| Все элементы подписаны, чертеж снабжен легендой | 2 | |
| Чертеж озаглавлен, заголовок отражает принцип работы устройства | 2 | |
| На схеме отмечены источники случайности | 2 | |
| На чертеже указано название команды | 1 | |
| Общее качество выполнения чертежа | Чертеж удобен в использовании, выполнен качественно и аккуратно, легко читается, содержит всю необходимую информацию, не содержит избыточной информации, отсутствуют помарки и исправления | 3 |
| Максимальный балл за модуль А | 16 | |
| Модуль B. Сборка оптической схемы | ||
| Собранное устройство соответствует представленной ранее схеме | Схема, выполненная участниками или предоставленная экспертами | 3 |
| Излучение не возвращается обратно в источник | 3 | |
| Отсутствуют паразитные/нежелательные/случайные выходы излучения за пределы схемы | Все неосновные лучи заглушены или заведены так, чтобы они не создавали опасность для окружающих людей | 3 |
| Источник случайности соответствует представленной ранее схеме | Схема, выполненная участниками или предоставленная экспертами | 3 |
| Фотоприемник работает в линейном (ненасыщенном) режиме; бОльшая часть активных пикселей не засвечена | В зависимости от используемого в схеме элемента | 3 |
| Сопряжение оптических элементов выполнено эффективно (нет потерь, связанных с плохой юстировкой/настройкой) | 4 | |
| Элементы схемы надежно закреплены, нет риска непреднамеренного сдвига элементов при эксплуатации изделия | 2 | |
| Отсутствуют критические изгибы волокна | 2 | |
| Оптические элементы не повреждены, не загрязнены | С момента приемки стенда командой | 1 |
| Провода смотаны и не мешают эксплуатации системы | 1 | |
| Обеспечена эргономичность и удобство доступа к настроечным/юстировочным/подключаемым элементам | 1 | |
| Выполнены требования ТБ при работе с лазерным излучением | Оценивается в ходе выполнения модуля | 2 |
| Соблюдены чистота и порядок на рабочем месте (нет мусора, не разбросаны инструменты и т. д.) | 1 | |
| Максимальный балл за модуль B | 29 | |
| Модуль C. Обработка данных | ||
| Программный код содержит не менее трех разных тестов на случайность числовой последовательности | 2 | |
| Взаимодействие с программным кодом организовано согласно требованиям технического задания | Программа принимает на вход числовую последовательность и выводит для каждого теста:
|
2 |
| Все размерные параметры, выводимые в результате работы программы, снабжены единицами измерения | 2 | |
| Код легко читаем | Код сопровождается комментариями, объясняющими работу функций и значение переменных; названия функций и переменных соответствуют их смысловой нагрузке | 3 |
| Функциональная схема полностью соответствует программному коду | Функциональная схема оформляется отдельным файлом в формате pdf |
3 |
| Программа одинаково хорошо работает на эталонных и экспериментальных данных | 3 | |
| Составлен и отлажен алгоритм, принимающий решение о случайности последовательности на основе совокупности данных о прохождении тестов | 2 | |
| Максимальный балл за модуль C | 17 | |
| Модуль D. Подготовка отчета и защита решения | ||
| Отчет оформлен согласно требованиям технического задания |
|
2 |
| В отчете детально раскрыт физический принцип устройства | 4 | |
| В отчете приводится подробное обоснование выбранных программных тестов | 4 | |
| Приведено обоснование алгоритма, принимающего решение о случайности последовательности на основе совокупности данных о прохождении тестов | Выполнены условия нормировки везде, где это требуется | 1 |
| Алгоритм учитывает прохождение всех тестов | 1 | |
| Выбор решающего правила (порога, условия) корректно обоснован | 2 | |
| Поведение алгоритма вблизи экстремальных случаев корректно обосновано | 4 | |
| Все используемые при разработке устройства и/или обработке данных приближения в отчете обоснованы физически и/или математически | 3 | |
| В отчете отражены результаты обработки эталонных и экспериментальных данных | 1 | |
| В отчете все размерные величины снабжены единицами измерения | 2 | |
| Отчет содержит инструкцию по работе с готовым устройством и с программным кодом для конечного пользователя | 1 | |
| В презентации и устном рассказе раскрыты основные принципы работы устройства | 2 | |
| В презентации и устном рассказе отмечены особые преимущества решения команды | 2 | |
| Общее качество представления итоговой презентации (не более 5 мин) | Сбивчивый, непоследовательный рассказ | 0 |
| Логика прослеживается, но общая картина не формируется | 1 | |
| Уверенное представление, четкая логика, но графический материал презентации не соответствует рассказу | 2 | |
| Графический материал и устный рассказ создают полную, непротиворечивую картину | 3 | |
| Качество ответа на вопросы (не более пяти вопросов одной команде); вопросы могут задаваться адресно конкретному участнику, согласно его роли в команде | Отвечает на все вопросы неправильно | 0 |
| Ответ в целом верный, но отвечает неуверенно, без достаточной аргументации (ни на один вопрос не ответил хорошо) | 1 | |
| Корректный ответ, с незначительными помарками и на большинство вопросов | 3 | |
| Подробный развернутый ответ с полноценной и уверенной аргументацией на все вопросы | 6 | |
| Максимальный балл за модуль D | 38 | |
| Максимальный балл за все модули | 100 | |
Набор оборудования, предоставленный участникам для выполнения задачи, позволяет реализовать несколько конфигураций квантово-оптического генератора случайных чисел. В данном разборе рассмотрены два основных варианта решения.
Для реализации этого метода необходимо собрать схему интерферометра (пример представлен на рис. 7.1).
На осциллографе, подключенном к выходу фотодетектора, наблюдается интерференционная картина в виде сигналов типа «меандр». Интерференция лазерных импульсов проявляется на плато отдельных пиков сигнала.
Оптическая система крайне чувствительна к внешним воздействиям (колебания температуры, вибрации и изменения оптического тракта), поэтому результат интерференции носит случайный характер. Для генерации случайных чисел можно анализировать отклонения площади наблюдаемых импульсов от среднего значения. Дополнительное внесение непериодических возмущений в схему повышает степень случайности сигнала.
При распространении лазерного излучения в рассеивающей среде возникает спекл-картина — случайное распределение ярких и темных пятен, образующихся в результате интерференции рассеянных световых волн. Поскольку условия распространения света динамически изменяются (из-за флуктуаций температуры, вибраций и других факторов), спекл-картина также меняется случайным образом во времени.
Для наблюдения спекл-картины достаточно разместить перед выходом из лазерного источника рассеивающий объект (например, лист бумаги) и зарегистрировать полученное изображение с помощью видеокамеры.
Если вносить непериодические изменения в положение рассеивателя, можно получить последовательность кадров со случайным распределением спеклов. Случайность может быть извлечена путем сравнения интенсивности различных участков спекл-картины со средним значением в локальной области, анализа изменений яркости отдельных пикселей между кадрами.
Для увеличения степени случайности можно добавить многомодовое оптическое волокно, в котором происходят случайные процессы интерференции из-за динамически меняющихся внешних условий. Помимо этого можно включить в схему интерферометр (как в решении № 1), что дополнительно усилит стохастичность спекл-картины.
Проверка случайности последовательности — сложная задача, требующая применения специализированных статистических методов. Одним из наиболее авторитетных инструментов для такой оценки является NIST Statistical Test Suite (пакет тестов Национального института стандартов и технологий США).
Для решения задачи достаточно реализовать три теста из набора NIST, например:
- Частотный побитовый тест — проверяет равномерность распределения битов (0 и 1).
- Частотный блочный тест — анализирует распределение частот битов в подпоследовательностях.
- Тест на последовательность одинаковых битов (Runs Test) — оценивает случайность чередований нулей и единиц.
Помимо этого необходимо реализовать алгоритм, интерпретирующий результаты прохождения тестов. В качестве примеров можно привести два подхода к реализации подобного алгоритма:
Аналитический метод:
- Получить числовые показатели каждого теста (например, p-value).
- При необходимости нормировать значения (например, привести к единой шкале).
- Ввести функцию принятия решения (например, линейную комбинацию параметров).
- Сравнить результат с пороговым значением и сделать вывод о случайности.
Логический метод:
- Определить, какие комбинации прохождения/непрохождения тестов допустимы.
- Построить таблицу истинности.
- Определить, является ли последовательность случайной на основе таблицы.
Функциональная схема программы представлена на рис. 7.2.
По результатам работы необходимо подготовить развернутый отчет, который должен содержать все этапы реализации проекта — от теоретического обоснования до практических результатов. В нем следует детально описать физические принципы работы разработанного устройства. Например, для интерферометра необходимо привести уравнения интерференции и объяснить, как внешние воздействия влияют на случайность сигнала, тогда как для спекл-метода важно описать процессы формирования спекл-картин и их стохастическую природу.
Особое внимание нужно уделить обоснованию выбранных технических решений, подробно описав схему установки с указанием ключевых компонентов. В разделе, посвященном программному обеспечению, требуется представить алгоритмы обработки данных, включая методы извлечения случайных битов и реализацию статистических тестов NIST, с обязательным указанием критериев оценки случайности последовательностей и обоснованием выбора именно тех или иных тестов.
Результаты работы должны быть подкреплены конкретными данными:
- значениями p-value для каждого теста,
- графиками интерференционных сигналов или спекл-структур,
- гистограммами распределения битов.
В заключении необходимо проанализировать эффективность предложенного решения, отметить его преимущества и возможные направления для дальнейшего совершенствования.
Выступление должно четко и логично раскрывать все аспекты работы: от физических основ до особенностей программной реализации. Важно уместить доклад в отведенное время, делая акцент на ключевых моментах и используя наглядные материалы — схемы, графики, примеры данных.
Особое значение имеет глубина понимания темы: необходимо быть готовым к вопросам о выборе конкретной аппаратной схемы, параметрах тестирования, ограничениях метода и путях их преодоления. Успешная презентация предполагает не только демонстрацию работоспособности решения, но и убедительное обоснование всех принятых технических решений.
- Основы статистики (Электронный ресурс): онлайн-курс / Stepik. — URL: https://stepik.org/course/76/promo.
- Программирование на Python (Электронный ресурс): онлайн-курс для начинающих / Stepik. — URL: https://stepik.org/course/67/promo.
- Статистика и теория вероятностей для 9 класса (Электронный ресурс): онлайн-курс / Stepik. — URL: https://stepik.org/course/68669/promo.
- Обработка данных с помощью пакета Pandas (Электронный ресурс): онлайн-курс / Stepik. — URL: https://stepik.org/course/83990/promo.
- Оптика для школьников (Электронный ресурс): онлайн-курс / Stepik. — URL: https://stepik.org/course/85243/promo.
