Фотоника и метаматериалы

Магистратура 2021/2022

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс по выбору

Направление: 11.04.04. Электроника и наноэлектроника

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 1-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: с онлайн-курсом

Охват аудитории: для всех кампусов НИУ ВШЭ

Преподаватели: Вагов Алексей Вячеславович

Прогр. обучения: Наноэлектроника и квантовые технологии

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 38

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Настоящий курс представляет из себя введение в теоретическую нанофотонику – описание физики опто-электрических систем, где свет сильно взаимодействует с материальными объектами, имеющими размеры порядка нескольких нанометров. Природа света и состояние вещества в таких системах являются существенно квантовыми. Нанофотоника играет огромное значение для создания систем связи и компьютеров нового типа, основанного на изменении квантовых состояний физических объектов – так называемая квантовая информатика. Основные задачи, которые стоят перед учеными в этой области связаны с разработкой и совершенствованием методов для контролируемого создания, манипуляций, передачи и измерений квантовых состояний света. В курсе рассматриваются следующие основные вопросы. Постановка проблемы взаимодействия света с веществом и определение предмета квантовая оптика. Повторение основ классической теории электромагнитных волн. Введение в квантовую теорию электромагнитного поля. Описание различных квантовых состояний света, их создание, характеристики и измерение. Взаимодействие света с веществом в классическом и квантовом мире, совместные квантовые состояния света и вещества. Теоретическое описание изменения состояний света в наносистемах, простые квантовые системы с несколькими уровнями, наиболее распространенные модели, используемые в оптике наносистем, и их анализ. Общий подход к описанию открытых квантовых систем. Временная эволюция света и контроль состояний фотонов в наносистемах. Запутанные квантовые состояния, квантовые корреляции и их измерения. Потеря когерентности и квантовая релаксация. Курс полезен тем, кто хочет заниматься или познакомиться с квантовой оптикой и физическими системами, где она реализуется, а также тем, кто хочет узнать о физических основах квантовой информатики. Курс содержит весь необходимый материал и не требует специализированных знаний. Однако, для полноценного понимания материала требуются базовые знания классической механики, электродинамики, квантовой механики и статистической физики. Кроме того, необходимы базовые знания высшей математики, включая теорию обыкновенных дифференциальных уравнений и линейной алгебры. Контроль знаний студентов проводится в виде учета активности студентов, опросов, решении задач и экзамена.

Цель освоения дисциплины

Целью изучения дисциплины «Нано-фотоника» является знакомство студентов с физическими основами и принципами функционирования новых типов электро-оптических приборов, составляющих основу для построения систем квантовой коммуникации и информации.

Планируемые результаты обучения

Знает и понимает различия между проявлениями классической и квантовой природы света в природе и оптических приборах.
Знает принципы квантования электромагнитного поля и основы квантовой оптики.
Знает типы состояний света, способы его генерации и измерения.
Может рассчитать квантовое поведение света в простых оптических приборах.
Понимает описание света как совокупности (ансамбля) квантовых частиц. Знает и может практически применять основные методы квантового описания света.
Понимает природу взаимодействия света с квантовыми наносистемами, может описать их теоретически, используя простые модели с несколькими уровнями.
Понимает природу квантовой динамики открытых систем, физическую природу потери квантовой когерентности и релаксации. Знаком с основными теоретическими подходами описания динамики открытых систем. Может использовать простые модели расчета и объяснить их результаты.
Понимает природу квантовых корреляций, способы их измерений, их связь с состояниями света.

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Краткое введение в классическое описание электромагнитных волн.
Тема 2. Квантовое описание электромагнитного поля.
Тема 3. Описание света как совокупности квантовых частиц. Типы квантовых состояний и их характеристики.
Тема 4. Генерация квантовых состояний. Квантовые аналоги оптических приборов. Измерения.
Тема 5. Взаимодействие квантового света с веществом. Комбинированные моды света и вещества.
Тема 6. Квантовая механика света на простых моделях.
Тема 7. Временная эволюция квантовых систем, взаимодействующих с фотонами и другими модами возбуждений внешней среды.
Тема 8. Квантовые корреляции света. Измерения и корреляционные характеристики состояний света.

Элементы контроля

Контрольная работа
Формат проведения экзамена во 2 модуле может быть дистанционный, офлайн или смешанный в зависимости от ситуации. Информация доводится до студентов не позднее 10 дней до сессии.
Практическая работа (семинары, решение задач)
Формат проведения экзамена во 2 модуле может быть дистанционный, офлайн или смешанный в зависимости от ситуации. Информация доводится до студентов не позднее 10 дней до сессии.
Экзамен
Данная дисциплина обеспечивает формирование следующих компетенций согласно ОрОС: ПК-4, ПК-7, УК-1, УК-2, УК-6, ОПК-2, ПК-2. Преподаватель вправе освободить от прохождения экзамена студентов, с выставлением им во время сессии оценки по промежуточной аттестации, соответствующей накопленной оценке без учёта веса экзамена (то есть сумма весов всех элементов контроля, за исключением экзамена, приравнивается к единице). Преподаватель объявляет свое решение не позднее, чем на последнем занятии до экзамена. Для объявления оценок могут быть использованы официальные каналы передачи информации, используемые в процессе обучения. По желанию студентов, они могут отказаться от выставления оценки без проведения экзамена и сдать его, о чем сообщают преподавателю не позднее последнего занятия. Экзамен по курсу проводится в письменной форме на платформе Zoom. Во время написания экзаменационных работ студентам запрещено: общаться с кем-либо, пользоваться конспектами и подсказками. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи считается нарушение связи в течение минуты и более. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи аналогична процедуре сдачи.

Промежуточная аттестация

2021/2022 учебный год 2 модуль
0.2 * Практическая работа (семинары, решение задач) + 0.2 * Контрольная работа + 0.6 * Экзамен

Программа дисциплины