Фемтосекундная лазерная печать

Наша группа разрабатывает технологию фемтосекундной лазерной печати для создания волноводов в различных прозрачных диэлектрических материалах. Воздействие на образец жёстко сфокусированных фемтосекундных импульсов лазерного излучения приводит к локальному изменению показателя преломления. Увеличение показателя преломления в области воздействия позволяет создавать волновод путем плавного перемещения образца по заданной траектории. Технология фемтосекундной лазерной печати имеет широкий ряд применений: от печати оптических волноводов до микромеханической обработки материалов.

Основные направления:

• Разработка волноводов с низкими потерями на распространение, на согласование с волокном и на изгиб в различных стёклах и кристаллах.
• Разработка и создание программируемых многоканальных интерферометров. Решение сопутствующих проблем при масштабировании, связанные с увеличением числа каналов и переключающих активных элементов, а также с перекрёстными помехами и теплоотводом.
• Разработка и создание двумерных решёток волноводов для топологической фотоники.

Интегральная оптика

Не ограничиваясь только собственной технологией лазерной печати, в лаборатории активно ведутся работы по разработке интегрально-оптических чипов под планарные масочные технологии (литография, травление, осаждение). Наиболее интересными материалами являются кремний, нитрид кремния и ниобат лития.

Основные направления:

• Разработка отдельных интегрально-оптических элементов, расчёт их параметров и оптимизация дизайна.
• Разработка топологий фотонных схем.
• Тестирование и характеризация изготовленных структур.

Калибровка и программирование многоканальных интерферометров

Многоканальный программируемый интерферометр, или фотонный процессор, способен осуществлять реконфигурируемые унитарные преобразования над оптическими модами — входными и выходными каналами. Процесс калибровки и программирования оптических интерферометров сам по себе является отдельной важной экспериментальной задачей, которая может оказаться довольно непростой для оптических чипов со сложной интерферометрической структурой, а также для фотонных чипов большой размерности с большим количеством управляющих элементов. В лаборатории мы успешно занимаемся экспериментальным программированием различных реконфигурируемых фотонных процессоров, изготавливаемых методом фемтосекундной лазерной печати. Под программированием реконфигурируемого оптического процессора мы подразумеваем построение его полной цифровой модели, которая может быть использована для предсказания оптического преобразования фотонного чипа с заданными значениями управляющих параметров — фазовых сдвигов, влияющих на осуществляемое интерферометром преобразование. При программировании оптических чипов мы используем различные оптимизационные методы, основанные в том числе на современных методах машинного обучения. При этом непосредственные алгоритмы и методы калибровки и программирования фотонных процессоров являются живой и развивающаяся темой со множеством актуальных задач и вопросов для предстоящего решения.

Дизайн архитектур многоканальных интерферометров

Группа занимается теорией программируемых фотонных схем (линейной оптики) для задач квантовой и классической обработки информации, делая упор на масштабируемость, малую глубину схем и устойчивость к ошибкам. Мы разрабатываем архитектуры и методы управления/калибровки интерферометров, чтобы реализовывать заданные преобразования даже при потерях и технологических неточностях.

Основные направления:

• Разработка устойчивых к ошибкам архитектур интерферометров, с целью снижения чувствительности к потерям и отклонениям.
• Развитие алгоритмов разложения и калибровки реконфигурируемых интерферометров. Включая обучение модели устройств по данным и последующий подбор параметров для реализации требуемого преобразования без необходимости иметь точное аналитическое разложение для конкретной архитектуры.
• Проектирование архитектур многопортовых программируемых интерферометров для универсального матрично-векторного умножения, разработка подходов, позволяющих аналитически программировать схему и работать с неунитарными преобразованиями.

Линейно-оптические квантовые вычисления (теория)

Группа занимается теоретическими исследованиями в области линейно-оптических квантовых вычислений. Мы разрабатываем новые протоколы, архитектуры и алгоритмы линейно-оптических квантовых вычислений, ориентированные на создание масштабируемых и отказоустойчивых фотонных квантовых технологий.

Основные направления:

• Разработка протоколов и архитектур линейно-оптических интерферометров для эффективной генерации запутанных квантовых состояний - ключевого ресурса для квантовых вычислений и коммуникаций.
• Оптимизация и улучшение линейно-оптических квантовых алгоритмов, включая вычисления, основанные на измерениях, квантовые вариационные алгоритмы и бозонный сэмплинг.
• Исследование, моделирование и разработка методов исправления ошибок в линейно-оптических квантовых алгоритмах.

Линейно-оптические квантовые вычисления (эксперимент)

Экспериментальная реализация квантовых вычислений на фотонной платформе требует разработки высокоэффективных источников фотонов, перестраиваемых интерферометров и детекторов одиночных фотонов. В нашей лаборатории мы развиваем комплексный подход, охватывающий все этапы — от генерации квантовых состояний до реализации сложных вычислительных алгоритмов на интегрально-оптических чипах.

Основные направления:

• Генерация и томография запутанных состояний в программируемых линейно-оптических интерферометрах.
• Томография унитарной матрицы интерферометра с помощью одиночных фотонов, основанная на анализе кросс-корреляционных функций отсчётов фотонов. Этот подход обладает высокой устойчивостью к экспериментальным шумам, потерям и частичной различимости фотонов.
• Бозонный сэмплинг с петлями (loopback boson sampling), в котором использование оптических линий задержки позволяет вносить временные корреляции между фотонами. Это даёт возможность эффективно увеличивать размерность доступного гильбертова пространства и вычислительную сложность задачи без физического наращивания числа каналов в интерферометре.