Искать, выбирать, пробовать и находить

Поступив на Физтех, многие задумываются: когда начинать работать в лаборатории, когда и куда лучше ехать на стажировки, как выбирать научное направление — присоединяться к модному и общественно полезному или делать только то, что интересно? Естественные желания — не упустить возможности, развивать востребованную науку и, желательно, присутствовать при рождении новых областей, а не толпиться в очереди. 

Полезен или вреден чужой опыт для принятия решений — вопрос открытый, но хорошие истории часто вдохновляют. Максим Карпов, выпускник факультета физической и квантовой электроники, постдок в Федеральной политехнической школе Лозанны, рассказал о том, какие ступени он уже преодолел в своей научной карьере. В декабре 2020 года Максим стал лауреатом престижной швейцарской премии фонда Ганса Эггенбергера для молодых ученых за свою работу в лаборатории фотоники и квантовых измерений в EPFL. Сейчас он продолжает развивать свое направление в сотрудничестве с коллегами из университетов Мюнстера, Оксфорда, из IBM и Microsoft Research в Кембридже, и цель — практическое применение новейших разработок.

Максим Карпов, выпускник ФФКЭ МФТИ 2014 года, PhD, исследователь в лаборатории фотоники и квантовых измерений под руководством Тобиаса Киппенберга в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL, Laboratory of Photonics and Quantum Measurements, Full Professor Tobias Kippenberg). Лауретат премии Ганса Эггенбергера 2020 года.

 

— Расскажите о премии, которую вы получили.

— Это премия фонда Ганса Эггенбергера (Hans Eggenberger Prize), которая ежегодно, на конкурсной основе, присуждается молодому ученому, получившему степень магистра (MS) или доктора (PhD) в Швейцарии. Так фонд поощряет успехи молодых исследователей в области физических и инженерных наук. Премию, в основном, получают ученые в области электроники или электрической энергетики, но этими направлениями фонд не ограничивается. Я получил премию за свою работу «Динамика и применения диссипативных керровских солитонов». Кроме того, фонд Эггенбергера может не только наградить молодого ученого, но и поддержать его исследовательский проект персональным грантом, как произошло в моём случае. 

 

— В чем заключаются ваши исследования?

Мы занимаемся оптическими частотными гребенками — это источники лазерного излучения с дискретным спектром, который состоит из отдельных очень узких равноудаленных лазерных линий. В нашей лаборатории мы можем генерировать их на так называемых микрорезонаторах — это очень маленькие оптические резонаторы с высокой добротностью, которые за счет своей нелинейности могут конвертировать входящее непрерывное лазерное излучение в частотную гребенку. Два основных преимущества таких гребенок — широкий оптический спектр и большое расстояние между линиями (от десятка до тысяч гигагерц), благодаря чему области их применения чрезвычайно разнообразны — от высокоточного измерения оптических частот и генерации очень чистых радиоволновых частот до использования в спектроскопии и даже астрофизике.

Мы изучали нелинейную и тепловую динамику таких гребенок на микрорезонаторах и предложили некоторые их перспективные применения. Во-первых, в области оптических телекоммуникаций. Мы показали, что гребенки можно использовать для передачи данных со скоростью более 50 терабит в секунду. Во-вторых, для реализации лидара — дальномера на основе оптического излучения. Гребенки помогают в разы ускорить измерения, добиваясь при этом субмикронной точности. В-третьих, мы предложили использовать гребенки для параллелизации оптических вычислений на фотонных чипах, что может быть полезно для задач машинного обучения.

Например, наш лидар работает по принципу несколько усложненного интерферометра. Если у вас есть монохроматический лазер, излучение от которого направляется на некоторый объект, то вы можете измерить фазовый сдвиг излучения, отраженного от этого объекта, и этот сдвиг будет зависеть от того, как далеко объект расположен. Проблема здесь заключается в неопределенности такого сдвига из-за периодичности фазы оптической волны — мы можем легко измерить сдвиг фаз по модулю одного периода, но количество полных периодов в фазовом сдвиге оценить на практике трудно. Один из способов уменьшения этой неопределенности состоит в использовании двух лазеров с разными длинами волн, каждая из которых при измерении одного и того же расстояния будет приобретать свой фазовый сдвиг. В наших гребенках не две, а множество лазерных линий, что позволяет не только значительно уменьшить такую неопределенность, но и за счёт одновременного усреднения измерений с разных линий добиться существенного повышения точности определения расстояния до объекта. Это может найти применение, например, в беспилотном управлении транспортом и контроле производственных процессов.

Недавно мы представили и другой подход — лидар непрерывного излучения с частотной модуляцией, который мы тоже реализовали с помощью гребенки. Современные лидары на этом принципе используют одночастотные лазеры, и к ним есть огромный интерес в связи с применениями в машинном обучении, а именно — в машинном зрении для беспилотных автомобилей. Наше решение может преодолеть некоторые критические проблемы таких лидаров за счёт многочастотности. 

 

— Как именно оптические системы могут применяться в машинном обучении? 

В задачах машинного обучения часто встречается задача перемножения матриц. Это линейная операция, которую можно очень эффективно выполнять в оптических системах так, что вычисление практически не будет потреблять энергии. Кроме этого, благодаря использованию света, доступные частоты вычислений могут достигать десятков и даже сотен гигагерц. 

Получить произведение матриц физически можно разными способами. Наибольший интерес представляют те из них, которые можно реализовать на фотонных чипах, из-за их компактности и доступности массового производства. Один из реализованных нами подходов заключается в использовании матрицы из оптических волноводов с набором делителей и контролируемых аттенюаторов, в которые записываются элементы одной из перемножаемых матриц. Элементы другой матрицы или векторы, с которыми производится перемножение, «записываются» на свет, входящий в волноводы. Если использовать несколько лазеров одновременно, за один проход можно посчитать сразу несколько матриц и сделать эти вычисления параллельно.

В целом, направление оптических вычислений сейчас переживает подъем в связи с их потенциалом для машинного обучения, но, конечно, есть большое количество нерешенных задач. Например, как реализовать нелинейную функцию активации? Сейчас ведется активная работа в этом направлении, но простых и удобных решений пока немного. Создать полностью оптическую глубокую нейронную сеть на чипе пока сложно, хотя отдельные вычислительные операции уже можно успешно реализовывать.

 

— Какие у вас планы на будущее? 

Пока я планирую продолжить работу в EPFL как постдок. Есть два основных направления, над которыми я сейчас работаю. Во-первых — применение оптических гребенок для параллельных оптических вычислений на фотонных чипах.  В начале января у нас вышла совместная работа с коллегами из университетов Мюнстера, Оксфорда и IBM, где мы впервые продемонстрировали ускорение оптических вычислений на основе гребенок и, кроме того, показали, что наш подход  применим для вычисления свёрточных нейронных сетей. Как я уже говорил, тема ускорения задач машинного обучения на основе оптических систем и, в частности, фотонных чипов — одно из интересных и перспективных современных направлений.

Также сама по себе технология оптических гребенок на микрорезонаторах еще достаточно молода, ей чуть больше 10 лет. К сожалению, она доступна только нескольким исследовательским лабораториям в мире — тем, кто знает, как проектировать и изготавливать микрорезонаторы, инициировать и стабилизировать гребенки, у кого есть хорошее  оптическое оборудование. Поэтому второе направление моей работы — это разработка готового прибора для генерации гребенок, который сделал бы нашу технологию доступной для других исследователей и лабораторий. Мы уже собрали первые два прототипа нашего прибора: один сейчас тестируется в Microsoft Research в Кембридже для применений в центрах обработки данных, второй как раз участвовал в эксперименте со свёрточными сетями. Сейчас мы заканчиваем работу над первым опытным образцом на основе этих прототипов, который планируем отправить нашим коллегам в Калифорнию.

 

— Расскажите, как вы попали в EPFL?

— Я закончил бакалавриат и магистратуру на факультете физической и квантовой электроники МФТИ. Магистерскую работу в области сложных тонкопленочных оксидов делал на кафедре твердотельной электроники в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН под руководством Геннадия Александровича Овсянникова. Во время магистратуры мне удалось в течение нескольких месяцев поработать в Фермилаб (Fermilab) и Калтехе (Caltech) на летних стажировках, где я старался выбирать направления, не совпадающие с темой моей магистерской работы, — от физики ускорителей до твердооксидных топливных элементов. Это дало бесценный опыт работы в США и значительно расширило мой научный кругозор. Я счёл, что вариант поступления в аспирантуру за границей — достаточно интересный, поскольку это позволило бы поработать в других научных школах, посмотреть иные подходы к научным исследованиям. Мне кажется, что иметь такой кругозор и понимание того, как занимаются наукой в разных местах мира, очень важно: это позволяет заметить сильные и слабые стороны разных подходов. Ты можешь сравнивать и понимать, что лучше, применять в своей работе наиболее успешные практики, плюс это опыт работы с людьми разных стран и культур, что тоже крайне интересно.

В конце шестого курса на Физтехе я решил, что хотел бы изменить направление своей научной работы и выбрать более прикладную область, в которой результаты применения своих научных исследований на практике можно увидеть на горизонте нескольких лет, а не десятилетий. Я искал такие исследовательские группы в Европе и США, получил несколько предложений на позицию PhD и в итоге выбрал именно группу в EPFL, занимающуюся оптическими гребенками. Я начал в сентябре 2014 года с полугодовой стажировки, чтобы понять, не ошибся ли я с выбором своей тематики, а уже весной 2015 поступил в аспирантуру EPFL и окончил её в начале 2020 года. Когда я только пришел в лабораторию, гребенки уже были активно развивающимся направлением. Было много нерешенных задач в плане понимания их физики, и мы с коллегами очень продуктивно поработали в этом направлении. Плюс нам удалось быстро наладить несколько экспериментов по их применениям с нашими коллабораторами, что тоже было очень интересно.