Как устроена лаборатория квантовой оптики
 Публичный пост
14 августа 2020     1201   

Инсайды!! В этом посте - в буквальном смысле слова, покажу, как проходит день в у меня в лаборатории. Я работаю научным сотрудником в институте лазерной физики в Гамбурге, где мы занимаемся всякими веселыми экспериментами с лазерами квантовым светом. В этом посте я почти не буду рассказывать про физику - готовлю пост поподробнее про гравитационно-волновые детекторы и прочие веселые вещи.

А пока это пост-приглашение к АМА, можно сказать:)

Один день из жизни постдока

Мой день - ночной кошмар любого любителя распорядка дня. У меня 4 своих проекта, 3 подопечных аспиранта и еще 15, за которых я делю ответственность. Почти все из этих 20+ экспериментов друг с другом не связаны вообще никак. Системы управления персоналом? Нет, не слышали. Все приходится держать в голове. Так что прекрасные GTD техники, которым я учился, разбиваются об очередного просителя, которому нужна срочная помощь в лаборатории, так что приходится все бросить и идти.

В целом вещи, которыми я занимаюсь регулярно почти каждый день:

  • телеконференции с коллегами из других мест. Это самое напряжное, т.к. бывают они и в 7 утра (сорян, дети, папа сегодня убегает на работу рано-рано), и в 12 ночи (сорян, жена, не до развлечений).
  • чтение научных статей: чтобы оставаться в теме, в день приходится по часу тратить на чтение.
  • педнагрузка: студенты сами себя не поучат.
  • рецензии: работа рецензентом - самая неблагодарная часть научной деятельности. Раз в пару недель на рецензию приходят статьи из журналов. На их прочтение и написание ответа уходит порой не меньше полного рабочего дня (в сумме за несколько дней).
  • написание статей и грантов: в недели перед подачей приходится работать непрерывно, иногда и по выходным.

Ну и конечно, надо руководить аспирантами и делать свои исследования. И самое главное - никто кроме меня это все не контролирует, так что тут полностью в свободном полете. Иногда я задумываюсь о том, что работа с распорядком и какой-то отчетностью не так уж и плоха. Но потом вспоминаю, что я же могу пойти сделать пиу-пиу лазером в разные стороны и заодно понаблюдать квантовые эффекты.

Идем в лабораторию

Мы у научной группе занимаемся квантовой оптикой в самом широком смысле: у нас есть и фундаментальные исследования основ квантовой механики, и технологии для детекторов гравитационных волн, и квантовая криптография.

Структура всех экспериментов примерно одинаковая: берем лазер, освобождаем луч от всяких пакостей, делаем его как можно лучше по разным параметрам, и светим им куда-то (в разных экспериментах по-разному). Свет, который выходит из этого "куда-та", измеряем (назову это сигналом, а такой луч - сигнальным). Чаще всего измеряем в интерферометре, где два сравниваются два луча: сигнальный и эталонный. Сигнальный несет в себе информацию, а потому отличается от эталонного. Это отличие можно измерить, чем мы и занимаемся.


Где же здесь квантовость? Мы используем нелинейные кристаллы, чтобы создавать квантовую запутанность между фотонами. Если на нелинейный кристалл посветить фотоном, он распадется на два фотона половинной энергии. Эти два фотона будут в запутанном состоянии. То есть, при их измерении мы можем наблюдать корреляции между ними, которые невозможно объяснить классически. Эти квантовые эффекты можно использовать на благо технологии. Я писал как-то на хабре про это.

Квантовые эффекты сильно подвержены всяческим шумам и прочей грязи в лаборатории. Поэтому у нас там чисто-чисто. И приходится носить прикид как на фотке выше. После прохождения нескольких зон разной степени "чистоты", попадаем собственно в лабораторию:

Здесь два оптических стола. На каждом - по лазеру. Лазеры у нас инфракрасные, глазу не видимые. Зато мощные: тонкий провод, попавший в луч, просто перегорает. А глаза для него - вообще мыльные пузыри. Так что самое строгое в лабе - защита глаз и всякого оборудования от излучения.

Для того, чтобы подготовить лазерный луч нужным образом, мы используем оптические резонаторы. В резонаторе несколько зеркал располагаются так, что луч лазера усиливается внутри. В итоге, например, если светит лучем мощности 1Вт, внутри запросто может быть 10кВт. Они очень полезны для подготовки луча. Но их настройка - это такая боль во всех частях тела (в прямом смысле слова)! 90% процентов времени в лабе уходит на настройку резонаторов.


Луч лазера нарисован. В центре - резонатор. Несколько зеркал и линз настраивают луч, чтобы он подходил для резонатора. Одно зеркальце иногда приходится подкручивать туда-сюда целый день, чтобы добиться нужной на стройки

Для создания квантового света, мы тоже используем резонаторы. В резонатор помещается нелинейный кристалл, в него запускается луч света, и он создает запутанный свет. Несмотря на то, что это сердце нашего эксперимента, выглядит это не особо секси:

Мы используем квантовый свет для изучения свойств взаимодействия лазера с материей. Светим лазером на маленький осциллятор (маятник), и по отраженному свету наблюдаем, как этот осциллятор себя ведет под действием света. Чтобы увидеть квантовое поведение этого осциллятора, его нужно охладить почти до абсолютного нуля. У нас для этого есть несколько криостатов. Например, такой:


Охлаждает эксперимент внутри до нескольких сотых градуса выше абсолютного нуля.
Я недавно писал статью с подробностями нашей работы на хабр.
Работать с такими осцилляторами довольно непросто: они совсем маленькие - толщиной всего 50 нанометров.

Почти всю электронику для экспериментов мы делаем сами. В типичном эксперименте у нас 5-7 активных цепей обратной связей, чтобы поддерживать частоту и фазу лазера одинаковой для всех резонаторов. Если 90% времени в лабе занимает настройка лазерного луча и резонаторов, то оставшееся - паяние. Все свое, аналоговое, теплое, ламповое, полное багов и коротких замыканий.

В общем, несмотря на красивые картинки в статьях, квантового в нашей работе не так много. Основаная часть работы - ковыряние электроники и кручение зеркал. Эксперименты длятся долго: 3-5 лет - норма для хорошей статьи. Средний аспирант печатает 1-2 статьи первого авторства за время своего аспирантства. Но само ощущение того, что мы исследуем не просто что-то уникальное, то, что никто никогда не делал, но и на самом острие науки - совершенно бесценно. Ради редких моментов, когда после долгих лет работы наконец на экране приборов виден результат, стоит продираться через будни с больной спиной и ногами от долгого стояния в неудобном положении. Наука - это странно и здорово!

42 комментария 👇
Victoria, ☢️ radiologist 14 августа 2020

НАКОНЕЦ-ТО! Я ждала именно таких постов, дайте я вас расцелую. Зачем ещё клуб, если нету инсайдерских статей?

  Развернуть 1 комментарий

Спасибо x) Я вот тоже подумал!

  Развернуть 1 комментарий

Из интро:

пытаюсь научиться в научпоп (пока не очень успешно)

а как по мне так очень даже ничего. Спасибо за статью 😀

  Развернуть 1 комментарий

Спасибо:) У меня в голове этот пост выглядел гораздо лучше😂 Но я рад, что понравилось!

  Развернуть 1 комментарий

Топовый формат поста. И АМА и "Один день"!

Вопрос конкртеный, какой класс чистоты в цифрах, ну или по ISO?

Как часто что-то ломается? Что из всего на оптическом столе - расходный материал?

Вопрос не столько из науки, сколько из практики. Вот есть задача юстировать солнечные датчики (Суть CMOS матрицы) есть какой-то автоматизированный способ "из-коробки" подкручивать ручки на оптическом столе?

Только фундаментальная наука или есть какие-то приложения?

  Развернуть 1 комментарий

Вопрос конкртеный, какой класс чистоты в цифрах, ну или по ISO?

У нас формально не сертифицирован класс частоты, но где-то между ISO 4 и 5. Т.е. где-то в районе десятка частиц ~1мкм на столах, но в коридорах и проходах - больше.

Как часто что-то ломается?

Постоянно. Особенно электроника. Но иногда и лазеры накрываются, и криостаты. Вакуумные системы - моя главная боль. Собственно, большой вклад в длительность эксперимента - необходимость чинить поломки.

Что из всего на оптическом столе - расходный материал?

Ну формально то что на столе не расходники. Изредка может разбиться зеркало или сломаться держатель его. Но когда что-то ломается, это очень дорого.

автоматизированный способ "из-коробки" подкручивать ручки на оптическом столе?

Совсем из коробки - не знаю. Но есть электропривод на ручки, и я точно знаю, что народ делает полностью автоматизированную настройку. Но "из коробки" обычно слишком дорого и ограниченно по функционалу, так что я не узнавал.

Только фундаментальная наука или есть какие-то приложения?

Пока в основном фундаменталка. Но с заделом на приложения: измерения всяких био образцов, фоточувствительных химических реакций, всякие сенсоры ускорения/смещения. В общем, любая метрологическая задача, где важно иметь как можно меньше мощность света - наш клиент.

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, а с чем связан выбор именно ИК-лазера? Не было бы безопаснее выбрать видимый диапазон?

  Развернуть 1 комментарий

@VBodrov, много причин. Главная - с этими длинами волн работает LIGO, для которого мы делаем большую часть экспериментов. Кроме того, наш сжатый (квантовый) свет создается через накачку нелинейного кристалла светом двойной частоты (и половинной длины волны). Для видимого света половинная длина волны уже уходит в сторону УФ, а там куча проблем с выбором материалов и общим качеством оптики. А для 1064 и 1550 нм, с которыми мы работаем, оптика как раз есть очень хорошего качества.

У нас есть еще эксперименты на 2000 нм, и там уже все сложно опять с материалами - но LIGO, возможно, в будущем будут использовать эту длину волны, так что и мы тоже изучаем.

  Развернуть 1 комментарий

@VBodrov, а что такое солнечные датчики и относительно чего и для чего их нужно юстировать? и где?

  Развернуть 1 комментарий

@NikolayLukin, солнечный датчик - это датчик на спутнике, который определяет ориентацию спутника относительно солнца.
Бывают еще звездные датчики, но там совсем все сложно и много матобработки карт звездного неба.

  Развернуть 1 комментарий

@NikolayLukin, Да, хотел ответ написать да забыл.
Как @amartology, написал - это датчик для определения вектора на Солнце. Юстировать там надо расположение, собственно матрицы, так как от того под каким она там углом встала относительно места посадки зависит и точность определения координат. Фактически измеряется кривизна матрицы, её геометрические характеристики чтобы потом привязать всё это дело к собственной системе координат космического аппарата.

По принципу разные датчики могут быть. Мы вот используем, по-сути, камеру обскуру. Маленький пинхол, и по пятну на матрице дальше вектор считается. Кто-то прямо по матрице в хорошем разрешении центр Солнца находит. У кого-то матричная струкура из нескольких фото-диодов. Короче говоря реализация разная, суть одна.

  Развернуть 1 комментарий

@VBodrov, ну положение матрицы в держателях можно попробовать наверное юстировать с помощью автоколлиматора/фокусируемого автоколлиматора. Они есть из коробки с софтом и со всем.

Кривизну матрицы из коробки измерить наверное сложнее, а варианты из коробки дорогие, громозские и тактильные (на координатно-измерительной машине например). Другой вариант колхозить немношк - с помощью колец Ньютона например, но это тоже тактильно и много ограничений. Есть другие варианты, но это смотря насколько вогнутая/выпуклая матрица. Я вот недавно тоже столкнулся с проблемой измерения кривизны: нашел 2D вогнутое зеркало и не знаю его радиус кривизны. Пока просто игнорирую проблему.

Кстати, а почему матрица с кривизной?

  Развернуть 1 комментарий

Поэтому у нас там чисто-чисто. И приходится носить прикид как на фотке выше.

А как происходит уборка? В таком же прикиде с ведром воды? Как часто? А кто этим занимается?

Почему-то стало интересно именно это :)

  Развернуть 1 комментарий

Убираемся сами, в лабах те, кто в них работает (раз в пару месяцев), в общих коридорах - посменно, каждую неделю. В таком же прикиде, да:) Есть специальные супер-пупер пылесосы, которые подходят для чистых комнат. Поверхности вытираем изопропанолом.

  Развернуть 1 комментарий

Офигенно!
А на что светите?
Кубитами пробуете управлять?

А это к вам по обмену ездят аспиранты из IPG Photonics?

  Развернуть 1 комментарий

Спасибо!

А на что светите?

В основном, на осцилляторы разных видов: мембраны как в посте или подвешенные зеркала, до 100грамм.

Кубитами пробуете управлять?

У нас нет кубитов в чистом виде, так как мы работаем с непрерывным светом, а кубиты все на импульсах. И у нас цель несколько иная (изучить пределы возможности измерять всякие физические величины).

А это к вам по обмену ездят аспиранты из IPG Photonics?

Нет, не к нам:)

  Развернуть 1 комментарий

Суперкрутая статья, спасибо, Михаил!

Расскажите пожалуйста, как обстоят дела с финансированием? Вот если что-то сломалось — как быстро покупается запчасть? А если вам нужны расходники или какой-то новый компонент — много ли бюрократии, чтобы обосновать нужду? Бывает ли, что в марте бюджет на год закончился и надо ждать следующего года, чтобы получить оборудование и продолжить эксперимент? Есть ли у лаборатории спонсоры или всё только за бюджет вуза?

  Развернуть 1 комментарий

Спасибо!:)

Вот если что-то сломалось — как быстро покупается запчасть?

Немного зависит от стоимости. Но большую часть компонентов закупаем по мере надобности. Все, что меньше 5к евро, заказывается в пределах одного-двух дней. Самые базовые недорогие вещи (которые через большие компании покупаем) обычно приходят на следующий день или через день. В среднем доставка 2 недели.

Вообще, оборудование очень дорогое. Каждое зеркальце на картинках в посте - от 100 евро за самые простые до нескольких тысяч за самые важные. Всей оптики на столе может быть на десятки тысяч. Всякое оборудование для измерения стоит от 20к. Лазеры тоже в районе 20к. Большой криостат на картинках - больше 500к (прилично больше, но точно не могу сказать).

А если вам нужны расходники или какой-то новый компонент — много ли бюрократии, чтобы обосновать нужду?

До 500 евро достаточно просто пару слов сказать. До 5000 евро нужно обычно предоставить 2 альтернативных предложения и обоснование, если берем не самое дешевое. Но в принципе возможно написать обоснование на два-три предложения и купить без альтернативных поставщиков. Но это когда как. Больше 5000 евро несколько сложнее: нужно более подробное обоснование. Но "подробное" - это все равно на полстраницы максимум. Что-то супер дорогое (сотни тысяч) уже сложно - надо проходить несколько кругов согласования.

Бывает ли, что в марте бюджет на год закончился и надо ждать следующего года, чтобы получить оборудование и продолжить эксперимент?

У нас так обычно не бывает, но в целом может быть. Но у нас довольно сложная структура бюджета: в группе много экспериментов (около 15), и по сути каждый на отдельном гранте. Они не все большие, но между ними можно перекидывать деньги.

Есть ли у лаборатории спонсоры или всё только за бюджет вуза?

В основном финансирование идет за счет грантов немецкой академии наук (DFG). Например, у меня во время PhD был грант на 3 года на один эксперимент в 500к евро, который включал зарплату мою и все оборудование. Но это максимум, обычно гранты в районе 100к на эксперимент. Бюджет от университета тоже есть, но не очень большой.

  Развернуть 1 комментарий

Мой день - ночной кошмар любого любителя распорядка дня. У меня 4 своих проекта, 3 подопечных аспиранта и еще 15, за которых я делю ответственность. Почти все из этих 20+ экспериментов друг с другом не связаны вообще никак. Системы управления персоналом? Нет, не слышали. Все приходится держать в голове. Так что прекрасные GTD техники, которым я учился, разбиваются об очередного просителя, которому нужна срочная помощь в лаборатории, так что приходится все бросить и идти.

Я вот собираюсь Вопрос-помощь клуба писать на похожую тему, пока тут его задам.

Вот 99% айтишников привыкли отмечать своё время в специальных инструментах, двигать туда-сюда таски, и вообще прекрасно организованы. На каждый чих есть своя задачка, на каждое сморкание есть своё закрывающее действие.

У нас не совсем лаборатория, но очень похоже. Мы пытались вести учет и трудозатрат, и задачки ставить, но всё это всегда разламывалось и было похоже на отчеты ради отчетов, и скатывалось в чайка-менеджмент.

Формально я как-бы проектный менеджер, поэтому это бьёт сильно по моей самооценке что я не могу ни одну такую систему внедрить. При этом и приборы делаются, и космические аппараты запускаем (ладно, в будущем еще времени в сентябре запустим).

Как вот таким творческим коллективом руководить? Вопрос больше, конечно риторический. Ну неужели правда всё удаётся держать в голове? Я просто время от времени диаграммы ганта перерисовываю и тихонько плачу от того, какие они разные получются каждый раз.

  Развернуть 1 комментарий

На каждый чих есть своя задачка, на каждое сморкание есть своё закрывающее действие.

Я так этому завидую, ух!

Как вот таким творческим коллективом руководить?

Ну я пока в этих вопросах начинающий, так что очень бы хотел тоже знать, как с этим справляться. Мне кажется, тут есть несколько разных вещей: собственные проекты, о которых надо активно думать постоянно; обязанности, которые надо выполнять по графику (ревью, телеконы и т.п.); чужие проекты - о них не надо думать, надо выделять время для обсуждений. Но вот как их тасовать внутри дня и недели - я пока не понимаю. У меня это просто завал, и я из него выбираю наиболее срочное и делаю:)

Пока что я пытаюсь делать: не ставить формально никаких задач, но стараться освобождать голову по-максимуму от информации. Для этого я стараюсь:

  • Вести лабораторные книги (т.е. записывать все, что делал за день, и заставлять делать то же подопечных).
  • Держать всю информацию записанной где-то (я вот начал пользовать Obsidian, до этого была комбинация gqueues и confluence). Под рукой всегда iPad, куда пишутся все идеи, что приходят в голову.
  • Делать встречи-пятиминутки со всеми подчиненными каждый день, где очень коротко делать обзор предстоящего дня.
  • Перестать паниковать, что ничего не успеваю, и просто делать то, что успеваю.
  • Ставить напоминалки не только на события, но и на вещи, про которые надо подумать.

Получается пока плохо, честно говоря...Но я подозреваю, что такой творческий хаос никуда не денется, и главное - не терять информации.

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko,

У меня это просто завал, и я из него выбираю наиболее срочное и делаю:)

Вот такая же ровно ситуация. Жопа с каждым по отдельности, и та что нависат ближе всего - та и приоритетная.

  Развернуть 1 комментарий

@VBodrov, у меня самая большая проблема, что когда я добираюсь до офиса в этом всем, наливаю кофе себе, меня накрывает совершенное нежелание что-либо еще делать, кроме зависания в интернетах. И вот я сейчас сижу, смотрю на 40+ имейлов, которые накапали с утра, и на которые надо поотвечать, и вот хочется залезть в твитор, а не этого всего xD

А так я видел разные варианты решения этого в академической среде. Кто-то вводит прямо супер строгую отчетность (в LIGO, например, подробно документируется любое движение, любая смена резистора в фотодиоде). Кто-то делает иерархию, типа 2 бакалавра на 1 магистра, 2 магистра на 1 PhD, 2 PhD на одного постдока, всем этим правят пара сеньор-постдоков, а глава группы определяет общий курс. В таком случае нет проблем с перегруженностью. Я стараюсь давать максимальную свободу студентам и аспирантам, чтобы они сами распределяли свое время. Тогда им можно просто делегировать какие-то вещи. Им сказал, сам ставлю напоминалку, чтобы проверить через неделю, и вон из головы. Но не для всех это хорошо работает...

  Развернуть 1 комментарий
Andrey Rakhubovsky, quantum information postdoc 14 августа 2020

С удовольствием заберу лишних аспирантов :)

  Развернуть 1 комментарий

Так они ж только паять да ручки крутить горазды, а ты ж их гамильтонианы писать заставишь, знаю же! x)

  Развернуть 1 комментарий
Alexander PrieraN, Главный инженер по разработке 17 августа 2020

Пиконка — вещь! =)

  Развернуть 1 комментарий

Даа, это мне в анонимном деде морозе на хабре подарили, классная!

  Развернуть 1 комментарий
Alexandr Mazurenko, специалист по непонятным вопросам 20 августа 2020

Очень круто!

Настройка зеркал напомнила игру, где нужен луч света из точки А в точку Б провести используя различные зеркала =)

  Развернуть 1 комментарий

Вот такая есть игра https://quantumgame.io/ так сказать, основанная на реальных событиях

  Развернуть 1 комментарий

Спасибо:)

Кстати, есть еще Space Time Quest, где вы строите гравитационно-волновой детектор, инвестируя в разные технологии, и пытаясь сделать его более чувствительным.

  Развернуть 1 комментарий
Mikhail Korobko, Физик автор 22 августа 2020

Раз тут несколько раз спрашивали, расписал чуть подробнее, сколько стоит наука и сколько кому платят: тут.

  Развернуть 1 комментарий
Maximus, Электрический инженер 15 августа 2020
  1. У НИХ ЕСТЬ ТРУБКИ С ЖИДКИМ ВАКУУМОМ!!!11

  2. А когда персонал идёт в лабораторию, ленточки от бахил уже заправлены по всем правилам в обувь - или забывают-с?! 😋

  Развернуть 1 комментарий

У НИХ ЕСТЬ ТРУБКИ С ЖИДКИМ ВАКУУМОМ!!!11

Ага, из большой бочки на фотках, разливаем по ведрам, а потом - в вакуумные камеры через воронку, тонкой струйкой. Главное - не расплескать!

А когда персонал идёт в лабораторию, ленточки от бахил уже заправлены по всем правилам в обувь - или забывают-с?! 😋

И штаны тоже! Чтобы ничего не протекло, особенно когда с жидким вакуумом работаем.

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, какая бочка?! Нас не обманешь!

На первом фото справа внизу трубка - и на ней латинским по белому так и написано: "Вакуум 3".

А,что, как не жидкий Вакуум-3 может течь по такому?!!!

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus, ну так бочка в подвале, конечно, не в лабе же ее держать, это ж дура такая здоровая! Вакуум-3 мы потом в квадратную камеру заливаем, охлаждаем и получаем лед-9.

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, какие такие ленточки, от каких таких бахил? сменку же надо ну. А для штанов там резинки же внизу на комбезах или нет?

  Развернуть 1 комментарий

@NikolayLukin, по хорошему бахилы, как и костюм с шапочкой, нужны для того, чтобы с себя всяким (и волосами в том числе :) поменьше трусить

А бахилы - еще и служат заземлителем, если пол специальный, проводящий. Цель - чтоб заряд статического электричества не накапливался на человеке. И вот по правилам токопроводящую полосочку от бахил надо заправить в носки, чтобы было соприкосновение с кожей.

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus, так про полску понятно, но бахилы же не удобно. Наверняка же есть тапочки специальные. У меня тапочки правда без заземления

  Развернуть 1 комментарий

@NikolayLukin, на самом деле, конечно, тапочки. Типа такого:


С изоляцией и стальным носком, чтобы от падающей техники защищать.

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, ай, блин, я всё про наше "исследовательское & серийное" производство вспоминаю - там, чтоб шефьёв меньше напрягать, стоял механизм-бахилонадеватель - но бахилы с ленточкой были :)

а так-то да, когда ты весь день там, то Sicherheitsschuhe обязательно :)

  Развернуть 1 комментарий

@NikolayLukin, я немного подзапутался и смешал всё вместе, да - см. мой предыдущий коммент, там подробнее объяснил. :))

  Развернуть 1 комментарий

А сколько у вас зарабатывают аспиранты, если не секрет? Предполагаю что TV-L E13? А полностью или только какой-то процент от этого (видел много вариантов)?

  Развернуть 1 комментарий

E13 это уровень постдоков, аспиранты очень редко столько получают. В нашей лабе по большей части это 66% и 75% от E13. Но в других областях часто и меньше: 50%. Т.е. после налогов у нас в области это примерно 1.700-2000 (в зависимости от стажа и семейного положения может быть больше).

  Развернуть 1 комментарий

😎

Автор поста открыл его для большого интернета, но комментирование и движухи доступны только участникам Клуба

Что вообще здесь происходит?


Войти  или  Вступить в Клуб