Мы живем в эпоху второй квантовой революции. Это время, когда наука и техника достигли такого уровня, что стало возможным прямое управление индивидуальными состояниями отдельных квантовых частиц, таких как атомы, фотоны, электроны. Разработаны первые работающие прототипы квантовых компьютеров, квантовых симуляторов, систем квантового распределения ключа и квантовых сенсоров.
Дальнейшее развитие квантовых технологий требует появления новых специалистов — квантовых инженеров. Специалист в области квантового инжиниринга должен не только обладать глубокими знаниями в квантовой физике, но также иметь навыки практической работы с компонентами квантовых систем, в том числе строить и проектировать оптические схемы.
В рамках профиля НТО «Квантовый инжиниринг» участники познакомятся с полным спектром компетенций, необходимых квантовому инженеру. Они разберутся в базовых понятиях и явлениях квантовой физики, лежащих в основе квантовых технологий, а также приобретут ценные навыки работы с оптическими компонентами, используемыми во многих квантовых устройствах. Участники научатся рассчитывать параметры оптических схем, применяемых при создании квантовых устройств, строить эти схемы, анализировать получаемые с помощью них результаты и составлять соответствующую техническую документацию.
На первом этапе в рамках предметного тура участники решают задачи по информатике и физике в области оптики и фотоники.
Для погружения в профиль «Квантовый инжиниринг» участникам будет предложено пройти образовательный курс, знакомящий с основами квантовой физики и квантовой оптики и современным состоянием квантовых технологий. Образовательный курс первого этапа послужит простым введением в мир квантовой физики, в частности, даст слушателям базовое представление о квантовой суперпозиции и квантовой интерференции, лежащими в основе любого квантового устройства. Участники смогут познакомиться с отдельными базовыми элементами квантовых оптических (в том числе волоконно-оптических) схем, основами теории вероятностей. Они научатся делать простейшие расчёты квантовых волоконно-оптических схем, а также производить оценки вероятности результатов измерений в квантовой физике.
В рамках инженерного тура участники будут индивидуально выполнять задания, связанные с инженерно-физическими расчетами параметров отдельных элементов квантовых волоконно-оптических схем, прогнозировать результаты простейших измерений. При этом будут проверяться следующие инженерные компетенции: знание оптики, умение интерпретировать результаты физических измерений.
Второй этап профиля будет посвящен проведению участниками инженерно-физических расчетов различных квантовых оптических схем и обработке готовых данных, получаемых на таких устройствах.
Задачи второго этапа знакомят участников с различными видами квантовых оптических схем, их характеристиками, возможными способами изменения их параметров, а также с паттернами данных, которые получаются при работе с квантовыми оптическими (волоконно-оптическими) устройствами. Кроме того, в ходе выполнения второго этапа участникам предстоит углубить свои знания по теории вероятности, познакомившись с понятием функции распределения и сэмплирования. Полученные навыки и знания будут необходимы для создания квантового устройства на финальном этапе.
Помимо успешного усвоения материала первого этапа, для подготовки к этапу рекомендуется:
Оптика является неотъемлемой частью физической реализации квантовых технологий. Многие разрабатываемые устройства, такие как квантовые компьютеры, системы квантового распределения ключа и т.д. в основе своей состоят из оптических схем и элементов.
Так, например, в системах квантового распределения ключа используются волоконные интерферометры, а логические элементы оптического квантового компьютера могут быть собраны из светоделителей и фазовых пластинок. Одной из важнейших частей систем квантовых устройств являются также генераторы случайных чисел.
В финале участники получают информацию о квантово-технологической системе, в которой предполагается использование оптических схем, а также ряд технических требований к готовому устройству.
Задача участников состоит в том, чтобы разработать систему, отвечающую требованиям, собрать ее и промерить характеристики, продемонстрировать работоспособность, подготовить соответствующую техническую документацию (отчет) и представить полученный результат комиссии, выполняющей роль заказчика.
Физика: геометрическая оптика, волновая оптика, понятие вероятности.
Информатика: простейшие статистические методы обработки информации, построение графиков по набору точек.
Знания в области оптики: необходимо иметь представление о таких понятиях, как показатель преломления вещества, коэффициент поглощения, угол падения/отражения. Понимать принцип работы полупрозрачных и 100% зеркал, линз и простейших объективов.
Знания в области фотоники: оперировать понятиями: энергия, мощность, затухание, интенсивность, и знать такие единицы измерения как Дж, Вт.
Знания в области физики колебаний и волн: знать и уметь оперировать понятиями: длина волны, частота света, фаза. Уметь работать с периодическими функциями (sin, cos и т.д.).
Знания в области оптики: понимание принципа работы оптического волокна, фазовых пластинок, фотоприемников. Понимание природы шумов измерительных устройств и умение их отсекать.
Навыки работы с волоконнооптическим оборудованием: умение аккуратно обращаться с оптическим волокном и волоконнооптическими элементами, производить чистку торцов, собирать и закреплять элементы на оптической пластинке и т.п.
Навык работы с осциллографом: умение интерпретировать результат, устанавливать параметры для корректной визуализации.
Программирование: написание кодов, позволяющих анализировать данные в формате txt, убирать шумы, определять погрешности получаемых величин.
Знания в области фотоники: понимание сути явления интерференции, как однофотонной, так и многофотонной. Понимание принципа работы фотоприемных устройств. Умение интерпретировать изменения в интерференционной картине при изменении длины одного из плечей.
Знания в области теории вероятностей и математической статистики: понимание смысла функции распределения, сэмплирования распределения, фитирования точек гладкой кривой.
Для участия во втором и заключительном этапах вам понадобится команда из 3-4 человек.
Инженер-оптик. Разрабатывает и реализует схему будущего устройства, отвечающую заявленным техническим требованиям. Разрабатывает и приводит 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).
