Ученый Тель-Авивского университета Борис Маломед — о нелинейной физике и не всегда оправдывающихся научных надеждах

Сейчас идут масштабные исследования в области оптики, именно этот раздел физики может кардинально изменить то, как мы работаем с данными. К работе подключаются ученые из разных стран: профессор Тель-Авивского университета Борис Маломед – один из них. Исследованиями в области нелинейной оптики и солитонов ученый занимается уже более 30 лет. На сегодняшний день его индекс Хирша является одним из самых высоких для ученых, работающих в этой области. В интервью ITMO.NEWS Борис Маломед рассказал о том, как оптика определяет нашу жизнь и как ее открытия можно использовать в других областях физики.

Борис Маломед

Расскажите, исследованиями в каких областях вы занимаетесь со своей рабочей группе в Тель-Авиве?

Сейчас я занимаюсь двумя большими темами: нелинейной оптикой и конденсатами Бозе-Эйнштейна (это физика очень холодных газов). С одной стороны, темы абсолютно разные. В одном случае — оптическая физика, а в другом — атомная. Но с точки зрения теории между ними очень много общего: математические модели, технический анализ, методы описания динамики систем. Многие теоретики, не только я один, работают в двух этих тематиках параллельно.

Какое практическое применение можно найти этим темам?

Самое разное. Нелинейная оптика используется сплошь и рядом. Это колоссальная область для практических применений. Например, то, как мы передаем информацию. Сегодня на место медных проводов пришли оптоволоконные линии связи. Мы прокладываем их как между городами, так и целыми континентами. Так называемые long-range линии связи между Америкой и Европой или Америкой и Азией. По дну океана проложены кабели – оптоволокно на многие тысячи километров. На одном конце работает генератор световых сигналов – лазер, который запускает импульсы движения вперёд. Естественно, без нашей помощи эти импульсы потеряются — на такой длинной дистанции их съедят потери. Поэтому по дороге их необходимо периодически усиливать: в линию встроены автономно работающие усилители, для которых проложен параллельный электрический кабель. Они ловят оптический сигнал и запускают дальше его усиленную копию. Так работают оптоволоконные линии связи для длинных расстояний.

Само оптоволокно производится из кварцевого стекла. Это наилучший материал для передачи сигналов. У полимерных сред куда больше потерь.

Трансатлантический оптоволоконный кабель. Источник: habr.com
Трансатлантический оптоволоконный кабель. Источник: habr.com

Но даже стекло не идеально. При его использовании возникает эффект, который обнаружил в 19 веке британский физик Джон Керр. Сигнал искажается из-за нелинейных эффектов. То есть запустили сигнал определенной формы, а получили уже другой. Избежать эффекта невозможно, так как он представляет собой неотъемлемое свойство материала.

Внутри города этим эффектом можно пренебречь, но при отправке сигнала из Петербурга в Новосибирск нелинейные сигналы исказят ваш импульс и изменят скорость сообщения. Не имеет значения, придет он немного раньше или позже – уже случится ошибка и возникнут проблемы.

В общем, сам эффект нелинейности важный, но отрицательный.

И вы в группе других исследователей предложили другое решение проблемы?

Да, мы предложили не пытаться бороться с нелинейностью, а использовать ее. Запустить достаточно узкий во времени импульс с большой мощностью и добиться возникновения дисперсии. В результате влияния эффектов нелинейности и дисперсии мы получим импульс света, способный поддерживать свою форму. Нелинейность заставляют участки волны притягиваться друг к другу и не расходиться. Это как бы волна, состоящая из одного горба. Она не генерирует рябь (как на поверхности воды) и поддерживает себя сама. В оптике возможна ситуация, когда нелинейность приводит к тому, что отдельные участки волны притягивают друг друга. Они не расплываются. У вас бежит самоподдерживающийся, нелинейный импульс света – солитон (от англ. solitary wave — уединенная волна).

Рисунок Дмитрия Лисовского, ITMO.NEWS
Рисунок Дмитрия Лисовского, ITMO.NEWS

Что касается практических применений, была идея передавать данные по оптоволокну с помощью солитонов. Собирать их в целую цепочку и ограничивать, чтобы не мешали друг другу. С солитонами система связи становится устойчивей — не нужно подавлять нелинейность, которую в любом случае не избежать.

Идея вызвала большой интерес. Большие телекоммуникационные компании вложили миллиарды долларов в разработку в надежде получить высокие темпы передачи данных. Но когда дело дошло до коммерческого практического использования, во всем мире была построена ровно одна линия. Проложили ее в 2002 году в Австралии между городами Аделаида и Перт, расстояние между ними три тысячи километров. История развивалась так: систему построила одна британская компания, которая продала ее и разорилась. Установила ее местная телекоммуникационная компания, которая тоже разорилась. В итоге, линию купил большой австралийский провайдер телекоммуникационных услуг Telstra и начал использовать как запасной вариант. Когда на их основный линк между городами поступает слишком большой трафик, компания использует новый в качестве параллельного.

То есть компании решили не использовать более совершенную технологию?

Технология совершенней, но дело касается бизнеса, а не физики. Я не разбираюсь во всех деталях, но, насколько мне известно, сами провайдеры пришли к выводу, что существуют другие способы повысить темп передачи данных в обычном линейном режиме без использования нелинейности. Выйдет проще и дешевле. Причем обновить периферийные устройства они бы смогли, в сравнении со стоимостью самой линии связи это небольшие затраты. Но они не хотят переучивать обслуживающий персонал – техников, которые годами работают на линейных коммуникационных системах.

Рисунок Дмитрия Лисовского, ITMO.NEWS
Рисунок Дмитрия Лисовского, ITMO.NEWS

Как вы сами относитесь к тому, что разработка, в который вы принимали участие, которая могла, скажем, улучшить наше качество связи (через скорость скачивания данных), не получила практического применения?

Для таких теоретиков, как я, работа состояла из решения физических задач. Это не инженерная работа, мы не получали заказ с необходимостью отчитаться за полученные деньги. Конечно, жалко, что результат ограничился одной линией в Австралии, ведь проект был очень перспективным.

Тем не менее, нелинейная оптика продолжает стремительно развиваться в разных направлениях, не только в телекоммуникациях. Я сам в данный момент занимаюсь изучением солитонов в конденсатах Бозе-Эйнштейна. Сначала мы охлаждаем газ до предельно низких температур и смотрим, как ограниченное число атомов не отскакивают друг от друга, а собираются вместе и образуют солитоны. Технологию можно применять для создания сверхточных атомных часов и квантового компьютера. Однако ждать их появления еще очень долго. 

Как вы начали сотрудничество с Университетом ИТМО?

В университете работает заслуженный ученый, член-корреспондент Российской академии наук Николай Николаевич Розанов. Он тоже теоретик, и у нас с ним много общих интересов.

Лекция Бориса Маломеда в Университете ИТМО
Лекция Бориса Маломеда в Университете ИТМО

До моего отъезда из России в 1991 году мы с ними не были знакомы. Я тогда работал в Москве в институте Океанологии академии наук. Океанология не имеет, конечно, никакого отношения к оптике, но в рамках института работала теоретическая группа под руководством знаменитого ученого Владимира Евгеньевича Захарова – настоящего классика науки.

С профессором Розановым мы познакомились позже, на различных конференциях, и поняли, что интересуемся схожими теоретическими моделями. Написали несколько научных статей, в том числе — на традиционную для Николая Николаевича и относительно традиционную для меня тему исследования модели лазерной полости. После он предложил присоединиться к Университету ИТМО в качестве внешнего сотрудника.

Какие преимущества вам дает сотрудничество с петербургским вузом?

Университет ИТМО — один из ведущих центров исследований в нелинейной оптике, моей первичной профильной области. Вполне естественно развивать сотрудничество именно здесь.

Я сейчас тесно сотрудничаю с двумя университетами на постоянной основе: Университетом ИТМО и Институтом фотонных и оптических наук в Барселоне. Кстати, его аббревиатура очень похожа на вашу  — ICFO. Там институт может оплачивать мою работу в течение одной недели в году с учетом всех расходов на поездки. В барселонском институте работает известный ученый из России — Ярослав Карташов, очень крупный специалист по части численных симуляций и такого рода моделей. Я сам ими не занимаюсь, так что сотрудничество с ним очень полезно. Он настоящий гуру в этой области и хорошо знает, как правильно симулировать уравнения.

На одну неделю в году я приезжаю в Университет ИТМО, на одну – в ICFO. Еще есть третье место, куда я приезжаю каждый год, — это китайский город Гуанчжоу.

Лекция Бориса Маломеда в Университете ИТМО
Лекция Бориса Маломеда в Университете ИТМО

Вам нравится так часто переезжать с места на место?

В общем, да. Такой образ жизни я веду уже больше 25 лет. Пока не устал. Моя жена, которая живет в Израиле, утверждает, что я провожу за границей шесть месяцев в году, но на самом деле это преувеличение — я провожу там четыре с половиной месяца. И ни к какому стрессу такие поездки меня не приводят.

У вас есть планы на дальнейшее сотрудничество с Университетом ИТМО?

В данный момент мы обсуждаем, в какую сторону развивать исследования. Общее направление уже понятно — это, конечно, нелинейная оптика. В частности, различные модели, связанные с солитонами. Сейчас два сотрудника Университета ИТМО работают вместе со мной над научными статьями: Алексей Юлин и молодой исследователь Дмитрий Зезюлин. Обоих я встретил в Португалии. Впоследствии они сумели найти работу здесь в Университете ИТМО. С Дмитрием мы продолжаем время от времени публиковать статьи. Кроме них, есть еще, конечно, Николай Николаевич Розанов. Я буду рад развивать сотрудничество с коллегами в Университете ИТМО.

Архив по годам:
Пресс-служба