Статистика ВК сообщества "Лазерные Технологии"

Самарские учёные разработали новые микролинзы для оптических элементов

Ученые Самарского национального исследовательского университета им. академика С. П. Королева и Института систем обработки изображений РАН разработали новые микролинзы, которые увеличивают эффективность оптических элементов, применяемых в микроэлектронике и медицине. Они обладают уникальной структурой и в два раза повышают пропускную способность оптических элементов.

Линзы можно использовать для создания миниатюрных датчиков, сенсоров (в т.ч. гироскопов и акселерометров для смартфонов), в медицинском и телекоммуникационном оборудовании, например, в лазерных микроскопах, в оптических пинцетах – устройствах, позволяющих с помощью лазерного луча ловить, удерживать и перемещать микроскопические объекты (живые клетки, бактерии, вирусы).

«В рамках нашего исследования была разработана оригинальная структура металинз, позволяющая в два раза увеличить дифракционную эффективность оптического элемента и создавать световые поля с заданными новыми свойствами», – рассказал один из авторов исследования доцент кафедры технической кибернетики Самарского университета Дмитрий Савельев.

По словам научного сотрудника Института систем обработки изображений РАН Сергея Дегтярева, с помощью новых металинз можно получать обратный поток энергии, что значительно расширяет диапазон манипуляций с микрообъектами.

Российские ученые передали квантовый сигнал вместе с классическим по одному оптоволокну

Для передачи квантового сигнала обычно используют ослабленное излучение — фотоны, кодирующие кубиты, летят практически поодиночке, поэтому выделить их среди миллиардов фотонов, переносящих классические сигналы довольно сложно. Даже если изначально классические и квантовые сигналы отличаются по длине волны, то в процессе распространения комбинационное рассеяние неизбежно приводит к тому, что часть фотонов классического сигнала «перепрыгнет» на длину волны квантового. Такие фотоны имеют случайную поляризацию, что приводит к росту числа ошибок в квантовом сигнале и препятствует генерации ключей. Поэтому для квантового распределения ключей используется «темное», то есть свободное от передачи данных оптоволокно. Прокладка или аренда волокна для соединения оборудования квантового распределения ключей — значительная статья расходов при строительстве квантовых сетей.

Для того чтобы реализовать квантовое распределения ключей параллельно с мощным излучением необходимо усилить фильтрацию, максимально уменьшив «окно» приема для квантового сигнала. Кроме того, переход в менее выгодный, с точки зрения потерь, спектральный диапазон 1310 нанометров позволяет снизить вклад рассеяния в волокне. Пока экспериментально эту технологию осваивают в Великобритании, Швейцарии, Китае и России.

Команда физиков из QRate первыми среди российских компаний провели успешный эксперимент по одновременной передаче классического и квантового сигналов по единому оптоволокну с использованием спектрального мультиплексирования. Им удалось эффективно сгенерировать секретный ключ в «светлом» волокне.

Приблизить эксперимент к реальным условиям ученым позволило использование промышленного телекоммуникационного оборудования российского разработчика и производителя Т8. Квантовое распределение ключей команда QRate осуществляла с помощью собственного оборудования, работающего по протоколу BB84-Decoy State на поляризационных состояниях.

В процессе передачи классической информации и квантового ключа было задействовано два DWDM-канала со скоростью 600 гигабит в секунду на одну несущую частоту. Транспондер передавал классический трафик сонаправлено с поляризационными состояниями передатчика и был закольцован на собственные приемники. Суммарная мощность классического излучения составила 4 милливатта. Для сравнения физики задействовали разные линии передачи связи — 25 и 50 километров со сниженными потерями (Corning SMF-28 ULL) и 50 километров стандартного волокна (Corning SMF-28e).

В результате эксперимента скорость генерации секретного ключа на «светлом» волокне составила: 27.1 и 7.3 килобит в секунду на 25 и 50 километрах волокна с низкими потерями, и 0,7 килобит в секунду на 50 километрах стандартного.

Несмотря на то, что идея использования спектрального мультиплексирования для передачи квантовых сигналов была предложена ранее, ее применение в коммерческих установках — новый шаг в развитии и упрощении квантовых линий связи для российских компаний.

Впервые в мире получены оптические импульсы длительностью 11 фс и мощностью 1,5 ПВт

Рекордное значение - 11 фс для импульса 1,5 ПВт было получено на лазерном комплексе PEARL Института прикладной физики Российской академии наук. Это стало возможным благодаря уникальному методу дополнительной компрессии - сокращения длительности - лазерных импульсов CafCA (Compression after Compressor Approach). Оптический импульс становится в несколько раз короче исходного, и во столько же раз возрастает его пиковая мощность, поскольку при преобразовании энергия импульса практически не изменяется.

Метод основан на уширении спектра оптического излучения при его прохождении через нелинейный элемент. Внесенная нелинейным элементом спектральная зависимость фазы излучения компенсируется при отражении от специального зеркала, приводя к укорочению импульса. Получены рекордные значения фактора компрессии импульса - больше 6. При создании оптической схемы использовался эффект самофильтрации мелкомасштабных флуктуаций оптического излучения высокой интенсивности, открытый авторами ранее.

К несомненным плюсам данного способа увеличения мощности ультракоротких лазерных импульсов следует отнести:

- простоту реализации – для создания необходимо минимальное количество оптических элементов (нелинейный элемент – тонкая пластинка из вещества с высокой нелинейностью и малой дисперсией; квадратичный корректор фазы – специальное зеркало; вакуумная камера, в которой располагаются оптические элементы);

- универсальность – может быть использован на любом существующем мощном фемтосекундном лазере, для уменьшения длительности и увеличения мощности импульсов;

- масштабируемость – работает с излучением практически любой доступной апертуры;

- каскадируемость – нет ограничений для последовательного использования нескольких каскадов дополнительной компрессии оптических импульсов.

Коллектив авторов:
Владислав Гинзбург, Иван Яковлев, Антон Кочетков, Алексей Кузьмин, Сергей Миронов, Илья Шайкин, Андрей Шайкин, Ефим Хазанов.

Оптический процессор Lightelligence в 100 раз превосходит графические процессоры в некоторых из самых сложных математических задач

Многие компании, включая таких гигантов, как Intel и IBM, разрабатывают тему оптических компьютеров, построенных на принципах фотоники. Но в передовых областях наиболее интересные решения нередко предлагают молодые компании. Примером служит процессор Photonic Arithmetic Computing Engine (PACE), разработанный специалистами стартапа Lightelligence. Как утверждается, он существенно превосходит графические процессоры в некоторых из самых сложных математических задач.

Говоря точнее, PACE с успехом использовали для расчета модели Изинга, используемой для понимания фазовых переходов. На этой задаче оптический процессор показал в 100 раз большую скорость по сравнению с Nvidia GeForce RTX 3080. Он обошел по производительности даже систему на базе FPGA, специально созданную для расчета модели Изинга специалистами Toshiba. В этом случае превосходство было 25-кратным.

В PACE интегрировано 12 000 оптических приборов, работающих на частоте 1 ГГц. PACE использует стандартную интеграцию кремниевой фотоники при использовании интерферометров Маха-Цендера (MZI) для вычислений и MEMS для модуляции фазы в MZI.

По словам источника, этот пример показывает, что оптические вычисления очень перспективны для решения определенных проблем. Это дорогостоящие в вычислительном отношении классы математических задач, такие как модель Изинга, которые часто встречаются в материаловедении, термодинамике, биоинформатике, криптографии, проектировании схем, оптимизации электросетей и в других областях.

#photonics #фотоника

Суперкомпьютер Jean Zay получил фотонные ИИ-сопроцессоры LightOn

Французский стартап LightOn успешно интегрировал один из своих оптических блоков обработки данных (Optical Processing Unit, OPU) в самый производительный академический суперкомпьютер страны Jean Zay. Работа выполнена в рамках пилотной программы Национального агентства по высокопроизводительным вычислениям (GENCI) совместно с Институтом развития и ресурсов в области интенсивных научных вычислений (IDRIS).

Работая в тандеме со стандартными серверными CPU и ускорителями NVIDIA A100, оптический сопроцессор должен значительно повысить скорость выполнения и снизить энергопотребление ресурсоёмких задач в области машинного обучения (МО) и ИИ. Избранные пользователи Jean Zay смогут протестировать OPU уже в ближайшие месяцы.

По словам разработчиков, преимущества OPU обусловлены применением фотоники для ускорения выполнения вероятностных алгоритмов на задачах сверхбольшого масштаба. Такой подход просто необходим, когда точные вычисления чрезвычайно сложны и затратны. Например, для обучения модели GPT-3 требуется порядка 3 млн GPU-часов на ускорителях NVIDIA V100. Вероятностные методы (RandNLA) позволяют получать приближённые, но достаточные для практического применения результаты за меньшее время путём различных матричных преобразований.

Однако работа с массивами больших размерностей, а именно такие и нужны современным ИИ-моделям, требует значительных вычислительных ресурсов в случае «классических» CPU или GPU, а также огромных массивов памяти. Устройства LightOn обходят это «узкое» место за счёт использования пространственных модуляторов света и ПЗС-матриц. Они уже могут работать с массивами на триллион элементов.

При частотах обновления матрицы порядка килогерц эквивалентная производительность достигает уровня 1,5 квадриллиона операций в секунду (1,5 Петаопс, не путать с FLOPs), а потребляемая мощность при этом составляет всего 30 Вт. OPU выполняет необходимые преобразования в пассивном режиме за счёт физических особенностей самого устройства, разгружая тем самым основные ресурсы суперкомпьютера (пред- и постобработка данных всё равно выполняется CPU/GPU) и повышая общую энергоэффективность системы.

Первые коммерчески доступные OPU Aurora2 в 2U-шасси компания предлагает в аренду с весны этого года. Jean Zay станет первой машиной из TOP500, в которой будут установлены эти сопроцессоры. В компании ожидают повышение ИИ-производительности системы в 8-40 раз по сравнению с вычислениями только на GPU. По словам генерального директора LightOn, Игоря Каррона (Igor Carron), такая интеграция ИИ-ускорителей в HPC-системы укрепит уверенность исследователей в том, что следующей вехой цифровой эволюции после экзафлопсных суперкомпьютеров станут гибридные решения.

Официальный пресс-релиз: lighton.ai/wp-content/uploads/2021/12/Press-Release-LightOn-Photonic-coprocessor-integrated-into-European-AI-Supercomputer-Dec-21-2021.pdf

#photonics #фотоника

Cisco с американскими учёными разрабатывают прототип фотонных квантовых процессоров

Неплохо изученные сверхпроводящие кубиты и вычислители на их основе сложны в эксплуатации, поскольку требуют поддержания криогенных температур и плохо масштабируются. Компаниям и отрасли в целом нужно что-то более простое в обслуживании. Хорошими кандидатами на доступные кубиты представляются фотоны. Именно на фотоны сделала ставку компания Cisco, пообещав учёным Калифорнийского университета в Санта-Барбаре грант на проект.

Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предложили вместо кремния использовать арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). По их словам, для создания фотонных цепей и необходимых элементов фотонного квантового процессора соединение AlGaAs подходит лучше всего. Для подтверждения своих слов они создали тестовый чип со многими ключевыми структурами на подложке из арсенида алюминия-галлия и готовы проводить эксперименты для разработки полноценного интегрированного и масштабируемого квантового фотонного процессора.

Кроме разработки базовых элементов и вычислительной архитектуры фотонного процессора, способного работать при комнатной температуре, Cisco профинансирует разработки программной части — алгоритмов и, что более важно, компиляторов. Появление компиляторов избавит программистов от необходимости разбираться со сложными квантовыми явлениями в подобных процессорах и платформах. Всё это за них сделает компилятор.

Первый грант Cisco учёным из Санта-Барбары составил $150 тыс. За ним, надо понимать, последуют другие. Кроме того, исследователи в области квантовых вычислителей получают гранты по национальным и другим программам, что позволяет умножать объёмы финансирования и расширять сферу исследований.

«Вместе с Cisco мы разработаем прототип квантового вычислительного чипа, чтобы продемонстрировать преимущества AlGaAs, — сказал доцент университета Галан Муди (Galan Moody), один из получателей гранта. — Затем мы оценим производительность наших прототипов, доработаем дизайн и изучим новые архитектуры, чтобы в будущем улучшить производительность и масштабируемость».

#photonics #фотоника

Salience Labs получила $11,5 млн на разработку гибридного фотонного ИИ-сопроцессора с частотой 10+ ГГц

Интерес к использованию фотоники в вычислительных системах растёт, и пионеры в этой сфере получают довольно солидное финансирование, как это не столь давно произошло с Ayar Labs, в которую HPE и NVIDIA вложили $130 млн. Стартап Salience Labs на днях от Cambridge Innovation Capital и Oxford Science Enterprises гораздо более скромную, но всё же значимую сумму — $11,5 млн в первом раунде инвестиций.

Образовалась Salience Labs совсем недавно, отпочковавшись от Оксфордского и Мюнстерского университетов в 2021 году. В штат компании вошли учёные, инженеры и программисты. Сейчас команда работает над созданием мультичипового процессора, объединяющего как традиционные электронные, так и фотонные компоненты. Причём последние, как раз ответственные за вычисления, стекируются вместе с SRAM. Более того, сделать это можно в рамках стандартного CMOS-процесса, что открывает путь к лёгкому масштабированию и относительно недорогому массовому производству.

Но и фотонная часть интересна сама по себе. Благодаря использованию широкополосного излучения, Salience Labs смогла уместить в один световой луч до 64 векторов, а уникальные схемы амплитудной модуляции позволяют, по словам компании, достичь частот в районе десятков гигагерц. Вкупе с массивно-параллельным подходом это позволит значительно ускорить расчёты (речь в первую очередь идёт о работе над матрицами).

Salience Labs надеется на скорейшую коммерциализацию своего решения, однако ей придётся побороться за место под солнцем. Так, фотонный ИИ-сопроцессор LightOn уже доступен для аренды, и он даже получил прописку в суперкомпьютере Jean Zay. Lightmatter, ещё один стартап в этой области, суммарно привлёк $113 млн в первых двух раундах инвестиций, а новичок Luminous Computing в раунде A получил сразу $105 млн.

#photonics #фотоника

Группа физиков основала стартап для создания коммерческого квантового компьютера из сотен и тысяч кубитов

На днях из тени вышел стартап QuEra Computing, созданный физиками из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. Основателями стартапа стали ведущие физики в области квантовых наук, что даёт надежду на значительный прорыв в области квантовых вычислений. Молодая компания обещает за пару лет создать квантовые вычислители с сотнями и даже тысячами кубитов, но начала она с рассказа об имитации 256-кубитовой системы.

Платформа с 256 кубитами была создана в гарвардской лаборатории под руководством российского и американского профессора Михаила Лукина. Он наряду с другими ведущими физиками также вошёл в число основателей компании QuEra Computing. Исходя из предыдущего контекста, значительный прогресс в разработке установки принадлежит ему и его гарвардской команде.

Сам Лукин неоднократно повторял, что квантовый компьютер нельзя считать в полной мере программируемой и универсальной вычислительной платформой. Платформа может обеспечить симуляцию физических процессов на квантовом уровне, но в ограниченном спектре приложений. Тем не менее, его каким-то образом уговорили войти в число основателей QuEra Computing и задаться целью создания систем из сотен, тысяч и сотен тысяч кубитов.

Решение QuEra Computing опирается на сверхохлаждённые атомы рубидия, помещённые в дефекты кристаллической решётки. Сначала атомы «зависают» в дефектах случайным образом, но с помощью так называемого оптического пинцета — лазерными импульсами — атомы можно расставлять в нужном порядке, что чем-то напоминает программирование. Затем запускается процесс вычисления (симуляции) и система, в зависимости от начальных условий и последовательности точечных воздействий лазерами на отдельные атомы (фактически — это исполнение алгоритма), приходит в определённое состояние (выдаёт результат вычисления).

Некоторые из таких процессов невозможно рассчитать на компьютерах за разумное время или даже вообще никогда, но симуляция на кубитах даёт результат быстро и с относительно небольшой вероятностью ошибки. К примеру, 256 кубитов дают комбинацию, которая превышает число атомов в Солнечной системе. Представьте, если таких кубитов будет тысяча или сотни тысяч? Определённо, получится нечто интересное и ранее даже непредставимое, хотя учёные тоже не особенно понимают, что это будет.

Впрочем, зарабатывать деньги это не мешает, а перспективы могут изменить многое в нашей жизни, если не всё. По крайней мере, за компанией QuEra Computing стоят лучшие в мире специалисты в этой области. Таких можно и нужно поддержать во всех начинаниях.

Российские ученые разработали технологию получения материалов для производства компактных лазеров

Исследователи из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработали новые методы получения полупроводниковых материалов, которые позволят создавать мощные и компактные лазеры, превосходящие по характеристикам существующие аналоги.

В последнее десятилетие достижения в области технологии роста многослойных структур различных полупроводниковых материалов (гетероструктур) привели к широкому внедрению мощных полупроводниковых лазеров в различные сферы жизни: от машиностроения и обработки материалов до медицины и энергетики. К плюсам таких устройств можно отнести высокую надежность и энергоэффективность. Однако существующие технологии и подходы к производству мощных полупроводниковых лазеров и систем на их основе подошли к пределу по излучаемой мощности, при сохранении компактности и энергоэффективности лазерной системы в целом. Поэтому дальнейшее развитие мощных полупроводниковых лазеров требует разработки новых конструкций и методов получения гетероструктур.

Одним из широко распространенных методов создания таких материалов является эпитаксия из газовой фазы – это контролируемый и высокоточный процесс создания гетероструктур (последовательное наращивание монокристаллических слоев полупроводниковых материалов со строго заданными оптимальными свойствами в условиях сверхчистых газовых камер с прецизионным контролем всех параметров процесса).

«Одно из направлений нашего большого проекта связано с повышением яркости и эффективности мощных полупроводниковых лазеров. Основой для этого является разрабатываемая нами технология селективной многостадийной эпитаксии полупроводниковых наногетероструктур. Она позволяет создавать многомерные 3D-структуры, которые уже имеют области усиления и волноводы, что важно для мощных полупроводниковых лазеров с высокой яркостью. Технология является ключевой для создания новых высокоэффективных и компактных полупроводниковых лазеров», - рассказывает доцент кафедры фотоники СПБГЭТУ «ЛЭТИ», руководитель Центра физики наногетероструктур ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Никита Пихтин.

Научная группа впервые описала закономерности изменения пространственной организации материалов в процессе селективной эпитаксии. Разработанные методы целиком охватывают процесс создания лазерных систем - от выращивания гетероструктур до изготовления компонентов лазерных систем (лазеров, переключателей и проч.). Параллельно ученые изучают оптические и электрические характеристики полученных наногетероструктур.

«Предложенные нами методы позволяют выращивать наногетероструктуры с более высокими оптическими свойствами по сравнению с существующими аналогами. Созданные на основе этих материалов прототипы устройств являются очень компактными – их можно разместить на чипе. Сегодня такие лазеры актуальны как для российских, так и для зарубежных производителей передовых автономных транспортных систем. Например, беспилотным автомобилям для ориентирования в пространстве необходимы лазерные радары (лидары)», - поясняет магистрант кафедры базовой оптоэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», лаборант ФТИ им. А.Ф. Иоффе Илья Шушканов.

В Центре компетенций НТИ «Фотоника» разрабатывают датчик мониторинга инженерных объектов

Группа ученых из ПГНИУ, ИАиЭ СО РАН и СКОЛТЕХА работают над созданием технологии производства компактных анализаторов сигналов волоконно-оптических датчиков (КАСВОД) на основе интегральной фотоники и волоконной оптики. Проект КАСВОД позволит в реальном времени отслеживать состояние мостов, турбин, шахт и других сложных инфраструктурных объектов.

«Развитие систем мониторинга сложных инфраструктурных объектов позволит повысить безопасность при эксплуатации. Благодаря внедрению КАСВОД станут возможными получение оперативной информации и быстрое принятие решений в случае разрушений конструкций. Кроме этого, наша разработка позволит заменить иностранные аналоги», — комментирует руководитель проекта, заместитель директора по работе с промышленностью ИАиЭ СО РАН Иван Шелемба.

КАСВОД способен замерять десятки параметров. Среди них: температура, давление, напряжение, вибрации и другие. Фиксирование этих параметров даст возможность на месте определять возможные риски и оперативно выдвигать ремонтные бригады. По оценкам ученых из ИАиЭ частота измерения параметров составит до 20000 Гц. Это значит, что за несколько секунд оператор на другом конце провода узнает об изменениях состояния объекта.

Как отмечают ученые Центра компетенций НТИ «Фотоника», главным преимуществом новой технологии является стойкость к внешним воздействующим факторам. Разработка ученых Центра рассчитана выдерживать мороз, жару, дождь и пыль в уличных условиях.

«Компактный анализатор сигналов позволит расширить применение волоконно-оптических датчиков в различных областях промышленности и других отраслях экономики. Расширение применимости произойдет за счёт уменьшения стоимости относительно полногабаритных моделей, достижения компактности, повышенной устойчивости к внешним воздействиям, упрощения эксплуатации», — продолжил Иван Шелемба.

В перспективе возможно достичь стоимости КАСВОД в 3 раза ниже в сравнении с иностранными аналогами. В 2025 году КАСВОД планируются собирать на предприятиях Пермского края.