«Солитоны – будущее интернета»

В московском Музее современного искусства выросло wi-fi дерево, знаменуя тотальную доступность интернета. Но скоро и сам интернет станет другим – более ярким и быстрым.

Как обеспечить более скоростную передачу ещё больших объёмов информации, да к тому же дешевле, чем сейчас? Учёные в разных странах считают, что помочь способны нелинейные волны – оптические солитоны. Один из таких учёных – доктор физико-математических наук Сергей Лебле, профессор Балтийского федерального университета имени Канта (Калининград) и Гданьского технологического.

– Сергей Борисович, каким же образом эти солитоны могут значительно улучшить работу Всемирной паутины?

– Начну с того, что открытие уединённых волн (солитонов) положило начало новой области науки – нелинейной математической физике. Физики-теоретики Дебай и Хондроз ещё примерно сто лет назад, решив математическую задачу, узнали, как распространяются световые волны внутри оптического стержня. Учёные установили, что свет может проходить внутри даже очень тонкого цилиндра, «не вытекая» наружу. Как показали эксперименты, оптическое волокно способно удерживать и передавать световые сигналы. Причём волны распространяются очень быстро – очевидно, со скоростью света – и переносят огромное количество информации, поскольку частота световой волны крайне велика.

Принцип переноса информации с помощью световой волны был использован для создания глобальной сети Интернет. Собранные в пучки оптические волокна, световоды, прокладывают как обычные кабели. Например, на дне океанов. Для передачи через оптические преобразователи – светопередатчик и светоприёмник – всего одной картинки, высветившейся у вас на мониторе, генерируется большая серия световых импульсов, в которых закодировано множество информации. Для развития этой области науки работают многие физики, математики, технологи. Но проблема в том, что идеального световода не существует, сигнал постепенно затухает и расплывается. На каждые сто километров кабеля приходится размещать специальное устройство – усилитель. Так что будущее интернета, вероятно, зависит именно от солитонов.

Работа одного из моих аспирантов была посвящена аналитико-численному моделированию распространения коротких импульсов в специальных световодах – фотонных кристаллах. В Астонском университете в Бирмингеме мы вдвоём сопровождали эксперимент, который проводили сотрудники лаборатории «Фотоник групп». Эти учёные разрабатывают и изучают новые, более эффективные световоды. И одно из направлений улучшения их эффективности как раз связано с солитонами.

– Итак, в световодах используются солитоны. Что они дают?

– Помните, что световой импульс при распространении размывается? Это явление называется дисперсией. Вот нелинейные эффекты, стабилизируемые импульсы волновой формы, то есть солитоны, и помогают её предотвратить. Группа физиков, к которой принадлежу и я, пришла к идее, что солитоны можно использовать в качестве носителей информации. Мы занялись моделированием солитонов в фотонных кристаллах, которые выглядят как цилиндр с продольными дырками разной конфигурации. Наличие этих дырок приводит к увеличению нелинейности, что позволяет солитону быстро формироваться внутри цилиндра. Выяснилось, что свет при передаче в фотонных кристаллах не расплывается, амплитуда не падает и один импульс не мешает другому.

Результаты таких исследований позволят при передаче световых волн по оптическим кабелям обойтись без усилителей. В итоге возрастёт пропускная способность и надёжность каналов связи. Кстати, сейчас другой мой аспирант готовится к защите диссертации по теме «Ультракороткие импульсы в световодах».

– Всё это очень интересно, но беда в том, что в наши дни научные открытия мало кого волнуют, прежде всего молодёжь… Уж вы-то, как профессор не только Балтийского, но и Гданьского технологического университета, знаете это хорошо.

– Знаю. А потому кроме университетских аудиторий бываю и в школьных. Недавно читал старшеклассникам лекцию «Квантовая механика без слёз», в которой постарался объяснить, как работают квантовые машины. Ведь свет кроме волновых свойств имеет и квантовые. С точки зрения квантовой физики свет состоит из фотонов. И это позволяет активно развиваться специальной технике (конструированию квантовых машин) и квантовой информатике. Рассказывал ребятам о квантовых генераторах – лазерах, изобретённых у нас в Советском Союзе лауреатами Нобелевской премии Николаем Басовым и Александром Прохоровым. Эти лазеры и сегодня производятся в России (в том числе одним из моих учеников). Показал им фото сделанных в Зеленограде, под Москвой, туннельных квантовых микроскопов, работать с которыми учатся студенты БФУ. Говорил школьникам о том, что у нас в стране и сегодня развивается промышленность, которая производит квантовую аппаратуру, а для неё нужны кадры – молодые грамотные физики.

Однако проблема заключается не только в том, чтобы заинтересовать, но и в том, чтобы научить. Идея о том, что каждый человек, имея доступ к информации, может научиться всему самостоятельно, привела к падению уровня образования в некоторых странах, исключение составляют лишь Англия, Франция, Голландия. Замена традиционного обучения на самостоятельное – ошибочный подход, и это, к счастью, сознают в России. Чтобы превратить информацию в знание, надо понимать, как устроена наука, как решаются её задачи. Основам науки невозможно научиться без помощи специалистов своего дела.

В России у начинающих физиков сейчас есть возможности и для получения капитальных знаний, умений, и для занятий наукой, и для работы на наукоёмких производствах. Например, в Калининграде работает завод, на котором производят плазменные двигатели для спутников, и наши студенты остаются там работать. Есть и другие производства, исследовательские лаборатории. В Польше у моих выпускников, ориентированных на занятия физикой, таких возможностей меньше.

– А вот некоторые учёные считают, что совмещать научную и преподавательскую деятельность невозможно.

– На мой взгляд, преподавать можно, только когда ты сам занимаешься исследованиями. Но у преподавателя в нашем университете очень большая нагрузка. В Польше в этом отношении ситуация лучше – там учёному остаётся больше времени для занятий наукой. Но даже, несмотря на загруженность, учёные наших университетов зачастую успевают делать больше, чем сотрудники академических институтов. Уверен, учёным Академии наук тоже следует обучать молодых специалистов, передавать им свои знания. Это обеспечит преемственность поколений и снимет часть нагрузки с преподавателей университетов, которые получат больше времени для научных исследований.