спецпроект ITMO.NEWS
От первых ЭВМ до спектрографов для изучения экзопланет
развитие науки в ИТМО в одном таймлайне
В середине прошлого века в ЛИТМО начали создавать первые ЭВМ, сегодня в вузе разрабатываются новые алгоритмы, а сам Университет ИТМО является единственным в мире семикратным чемпионом ICPC ― самого престижного турнира по программированию.
В ЛИТМО учился и работал «отец русской голографии» Юрий Денисюк, в вузе разрабатывались первые лазеры и зеркала для космических телескопов, а сегодня ученые университета создают новые разработки в этих областях.
В День российской науки рассказываем о развитии знаковых научных открытий и о том, над чем специалисты работают в этих направлениях сейчас. Первые ЭВМ и развитие программирования, лазеры, голография, разработки для космоса и не только ― 80 лет научной истории в одном таймлайне.
Компьютерные технологии
1940-е: первые ЭВМ
После Второй мировой войны в разных странах стали появляться первые ЭВМ. Они работали на хрупких электронных лампах и занимали целые этажи. По некоторым подсчетам, в 1958 году по всему миру действовало около 1700 таких приборов ― они устанавливались в самых важных организациях, а для рутинных задач компьютеров не хватало. Изучением электронных вычислительных приборов в конце 1940-х годов активно занялись ученые ЛИТМО.
1950-е: ЛИТМО-1
К середине 1950-х ученые обобщили данные экспериментов и решили создать машину для инженерных расчетов. Для этого специалисты закупили вычислитель ЭВ-80 и на его основе создали ЭВМ собственной конструкции, который получил название ЛИТМО-1.
Работы начались в 1956 году, главным конструктором стал доцент Феодосий Галкин, который активно привлекал к проектированию студентов.

Получившееся устройство работало на 2 тыс. электронных ламп и могло обрабатывать 37-разрядные двоичные числа со скоростью 100 операций в секунду. Оно стало первой ЭВМ, специально разработанной для инженерных вычислений.

1960-е: ЛИТМО-2
В 1960 году хрупкие электронные лампы заменили на полупроводниковые диоды, емкость памяти увеличили до 2048 слов. Машина проработала до середины 1964 года.
К этому времени группа студентов во главе с Геннадием Новиковым создала новую ЭВМ, изначально построенную на феррит-транзисторных ячейках, а не на электронных лампах. Ее назвали «ЛИТМО-2». Машина принесла создателям медали Министерства высшего и среднего специального образования СССР «За лучшую студенческую работу».
В 1980-х ученые ЛИТМО экспериментировали с микропроцессорами, которые позволяли делать компактные устройства. Тогда их называли микроЭВМ в память об огромных машинах, занимавших целые комнаты. В это время в институте разработали специальную микроЭВМ для обслуживания научных приборов. Ученые занимались как созданием самих вычислительных машин, так и написанием для них программ.
В 1991 году ректор Университета ИТМО Владимир Васильев основал и возглавил кафедру компьютерных технологических систем. Студенты и сотрудники именно
этой кафедры привели вуз к статусу семикратного чемпиона мира по спортивному программированию на крупнейшем международном первенстве ICPC.
С начала 90-х годов студенты и выпускники Университета ИТМО принимали участие в создании крупных IT-проектов. Например, Дмитрий Андрианов участвовал в написании первой версии Mail.ru. В то время серверы нового сервиса стояли прямо в здании вуза.
Дмитрий Андрианов
В 2010 году в компании JetBrains был разработан новый язык программирования Kotlin, названный так в честь острова, на котором расположен Кронштадт. Руководят проектом выпускники Университета ИТМО.
В 2017 году Kotlin стал официальным языком разработок для Android. А Университет ИТМО ― семикратным чемпионом мира по программированию.
В конце 2019 года в Университете ИТМО открылось региональное представительство ICPC Global – международной организации, которая проводит старейший международный турнир по программированию ICPC. Тогда же в петербургский вуз перешел основатель Codeforces Михаил Мирзаянов. Первый неклассический стал домом для одной из наиболее авторитетных площадок по спортивному программированию.
Сейчас
Специалисты ИТМО продолжают развивать фундаментальные основы программирования. Например, ученые МНЦ «Компьютерные технологии» занимаются эволюционными вычислениями ― от теоретических основ до применения в других областях науки. С их помощью изучается история генетических популяций, предсказывается пространственная конфигурация белков, создается расписание для загрузки стержней в атомном реакторе. Чтобы справляться с этими задачами, необходимо разрабатывать эффективные алгоритмы.
Геннадий Новиков
ЛИТМО-1 активно использовалась для вычислений. Сначала данные для расчетов можно было вбивать только с помощью клавиатуры, после модернизации стали использоваться перфокарты ― куски картона с рядами чисел, на которых прорезались отверстия на месте нужно числа. Это позволило значительно ускорить работу ЭВМ.
Михаил Мирзаянов
Это достижение пока не повторил
ни один университет в мире.
1970-е: первые заделы для квантовых компьютеров
1980-е: микроЭВМ
1990-е: новая эра компьютерных технологий
2000-е: новые победы
С этого момента он и его коллеги стали активно разрабатывать принципы создания оптических вычислительных машин. В то время такие работы велись в разных странах. Именно они стали фундаментом для идеи квантового компьютера, который сейчас пытаются создать ведущие высокотехнологичные компании мира.
Одним из них был Геннадий Новиков, будущий ректор ЛИТМО. Именно он предложил способ увеличения числа ячеек запоминающего устройства с 512 до 1024.
В 1972 году ученые ЛИТМО столкнулись с проблемой. Они занимались методиками распознавания речи и никак не могли решить технические проблемы. Профессор Сергей Майоров предложил использовать оптические методы, а не электронные.
Арина Буздалова,
научный сотрудник факультета информационных технологий и программирования ИТМО:

«Цель оптимизации — то, куда мы хотим прийти. Эволюция определяет маршрут, алгоритмы и структуры данных — способ передвижения (будем ли мы идти пешком, катиться на роликах или ехать на машине), а теория отвечает на вопрос, как быстро мы доберемся до цели в данных условиях».
Голография
1950-е: создание оптической голографии
В 1954 году Инженерно-физический факультет ЛИТМО закончил Юрий Денисюк. Сразу после выпуска молодой человек поступил в Государственный оптический институт имени Вавилова. Именно там, в 1959 году он совершит открытие, которое обессмертит его имя и сделает одним из самых известных советских ученых.
1960-1970-е: путь к признанию
Однако далеко не все оценили исследование Денисюка. С 1962 года он пытался зарегистрировать свое открытие, но удалось это сделать лишь в 1970 году. Сегодня работы ученого знают во всем мире, вместе с венгром Денешем Габором, а также американцами Эмметтом Лейтом и Юрисом Упатниексом Денисюка называют отцом-основателем голографии. Его работы до сих хорошо известны за рубежом.
В конце 1950-х годов он начал проводить опыты, пытаясь записать на стекло изображение так, чтобы оно казалось объемным. Это удалось сделать в 1959-м. Сохранились воспоминания об одной из демонстраций нового метода, которые оставил коллега Денисюка Н.Г. Бахшиев:

«Демонстрация состоялась в помещении заброшенного туалета, это было помещение бывшей ванной комнаты купца Елисеева у его кабинета. Оно находилось на втором этаже дома №14 на Биржевой линии, здесь, на месте старого унитаза, на козлах, был прикреплен небольшой деревянный щит с оптической установкой, предназначенной для получения объемных голограмм. Юрий Николаевич коротко изложил мне суть открытого им явления и продемонстрировал несколько первых голограмм, с помощью которых воспроизводились объемные изображения объемных предметов. Я был поражен гениальной простотой как самой идеи, так и изящным способом ее реализации».


1980-е: голографические изображения движущихся объектов
В 1980 году Денисюк вернулся в родной вуз и стал профессором ЛИТМО, продолжая работать в ГОИ им.Вавилова. Эксперименты рубежа 70-80-х годов позволили ему получить голографические изображения движущихся объектов. За эту работу он был удостоен Государственной премии СССР. Также ученый активно экспериментировал с художественной голографией как видом искусства.
2000-е: новые применения голографии
Сегодня голографию используют для разных практических применений. В 2017 году в Университете ИТМО разработали экспресс-метод поиска примесей в жидкостях, усовершенствовали технику безлинзовой вычислительной микроскопии. Тогда же в вузе собрали установку для голорафической регистрации процессов с разрешением в квадриллионные доли секунды. С ее помощью можно изучать формирование и эволюцию плазменного канала.
В 2018 ученые Университета ИТМО разработали новый высокочувствительный метод исследования нелинейных оптических свойств веществ. Он позволяет искать в материалах дефекты, которые не видны при других исследованиях.

Также в ИТМО ведутся работы в области художественной голографии. Весной 2019 года в Университете ИТМО открылся научно-производственный комплекс по изготовлению изобразительных голограмм, а летом Университет ИТМО и Санкт-Петербургский государственный институт культуры (СПбГИК) запустили междисциплинарный проект по созданию полноцветных голограмм произведений искусства. Также ученые работают над созданием полностью объемных цифровых голограмм объектов.
В конце 2020 года Университет ИТМО получил президентский грант на разработку нового голографического цифрового микроскопа, с помощью которого можно будет изучать, например, живые клетки.

Также сейчас, при поддержке гранта РНФ в ИТМО ведется работа над записью голограмм в терагерцовом излучении. Эти исследования позволяют увидеть, как выглядят пучки излучения в терагерцовом диапазоне, как они рассеиваются и распространяются в пространстве. Работа поможет в разработке новых технологий связи ― ведь связь в формате 6G будет использовать как раз терагерцовое излучение. Поэтому инженерам и ученым важно знать, как ведут себя в пространстве волны, несущие информацию.



2020 год: голографический цифровой микроскоп
Николай Петров,
ведущий научный сотрудник Университета ИТМО:

«Мы можем записывать цифровую голограмму клеток и смотреть ее динамику ― жизненный цикл клетки или воздействие на клетку каких-то угнетающих факторов. Обычная микроскопия требует окрашивания, ведь многие клетки прозрачны. Чтобы их увидеть, в них надо добавить краситель, но это может повлиять на поведение клетки.
Голографическая микроскопия позволяет исследовать прозрачные клетки без этого ― клетка искривляет волновой фронт, мы можем измерить профиль клетки или показатель преломления и ряд других параметров,
которые обычно не видны».
Лазеры
1960 год: первые лазеры
В 1960 году американский ученый Теодор Мейман впервые продемонстрировал «усиление света посредством вынужденного излучения», проще говоря, первый лазер. Это событие произвело фурор в научном мире ― ученые по всему миру начали работать над созданием подобных приборов. Параллельно началась подготовка специалистов в этой области. В 1963 году в ЛИТМО профессор Константин Иванович Крылов организовал первую в СССР кафедру квантовой электроники, на которой студентов учили создавать и использовать лазеры. Сам Крылов активно экспериментировал с применением лазеров ― в 1960-х он вместе с профессором Хромовым участвовал в первых для Советского союза экспериментах в области лазерной хирургии.
1965: лаборатория лазерных технологий
В 1965 году ученики Крылова Вадим Вейко и Михаил Либенсон создали в ЛИТМО лабораторию лазерных технологий. Она работала вместе с учеными Государственного оптического института (ГОИ). В это время они исследовали новый материал для создания лазеров ― стекло с примесью редкоземельного металла неодима. Из него можно было вырезать активные элементы любой формы.

В то же время ученые ЛИТМО принимали участие в разработке метода лазерного сверления алмазов для изготовления фильер ― специальных форм для производства проволоки. Раньше сверление одного отверстия в алмазной фильере требовало десятков часов, но благодаря работам ученых и инженеров этот процесс занимает теперь считанные минуты.
Профессор Константин Иванович Крылов
Вадим Вейко,
профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники

«Линейных ламп накачки для лазера еще не было, мы использовали лампы для фотовспышек, которые имели форму буквы "U", что было очень неудобно. В результате было предложено вырезать прямоугольный элемент из стекла, он был похож на современный iPhone. По толщине и ширине он умещался как раз внутри U-образной лампы, а по длине на него можно было нанизать 8 таких ламп. Получившийся лазер стал одним и первых в своем классе мощных лазеров, дававший рекордную энергию в импульсе в 1 Дж за 1 миллисекунду. Такой лазер в "гигантском импульсе" длительностью 100 наносекунд позволил мгновенно получать на тонких пленках изображения сложной формы с разрешением до 1 микрометра, что было в те времена рекордом».
1970-1980-е: новые разработки для микроэлектроники
В 1970-1980-х исследователи ЛИТМО работали над лазерной обработкой тонких пленок для микроэлектроники. На основе этих работ удалось создать установки Кварц-2, 4, 5, которые работали на многих заводах страны. Эта работа была отмечена Государственной премией СССР в области науки и техники.
2020 год: новые технологии и их внедрение в производство

2000-е: развитие лазерных технологий
Ученые активно продолжают развивать заложенные в прошлые годы методики лазерной обработки поверхностей и предлагают новые. Исследователи создают способы нанесения микросхем на полимерные пленки. «Нарисовав» лазером микросхему на крошечном фрагменте полимера, можно затем использовать ее в сверхкомпактных устройствах.
Начиная с 2013 года, учеными ИТМО был предложен быстрый и недорогой способ лазерно-плазменной обработки стекла для создания элементов микрооптики, который активно развивается в последние годы. Также в 2020 году исследователи из ИТМО получили грант на разработку оптических элементов для «умных» очков. Вместе с коллегами из Физического института имени Лебедева они будут развивать технологию фемтосекундной лазерной обработки стекла. В объеме образцов будут создавать незаметные глазу волноводы, которые и позволят превратить линзы очков в экран.
«Каждый год в мире устанавливают более миллиона дентальных имплантатов, из них около 5% не приживаются. По моему собственному опыту, из трех имплантатов не прижился один ― это 33%. Наша задача ― с помощью лазерной обработки создать такую поверхность, которая будет способствовать остеоинтеграции клеток, то есть биоткани будут лучше прирастать к имплантатам», ― рассказывает старший научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Галина Одинцова.
Также ученые ИТМО совершенствуют способ лазерного окрашивания поверхности драгоценных металлов ― под действием лазера на поверхности возникают плазмонные наночастицы, которые меняют цвет образца без красителей. Кроме того, еще одним направлением исследований ученых является создание с помощью лазера водоотталкивающей или, напротив, собирающей влагу поверхности металлов, что может быть использовано в медицине при создании антибактериальных покрытий и улучшения адгезии биологических объектов, а также для создания микрофлюидных устройств.

космос
1950-е: Петербург ― один из центров астрономии
Петербург, а затем и Ленинград был одним из центров российской астрономии. Здесь работали многие выдающиеся ученые и создавались новые установки. Во второй половине XX века стало очевидно, что для проведения сверхточных наблюдений астрономам нужна автоматизированная система, которая «вела» бы телескоп за наблюдаемой звездой. Первую такую систему в СССР разработал будущий заведующий кафедрой автоматики и телемеханики ЛИТМО Юрий Сабинин. Он опробовал ее на телескопе АР-250 в Пулковской обсерватории.
1960-е: Самое большое зеркало для телескопа
1980-е: Международные космические проекты
В ноябре 1960 года был утвержден аванпроект Большого азимутного телескопа. Установить его решили в поселке Нижний Архыз. Основным элементом астрономического прибора стало большое шестиметровое зеркало, над созданием которого трудились в том числе сотрудники ЛИТМО Виктор Зверев, Сергей Родионов и Михаил Сокольский. Расчеты, подготовка и отливка зеркала заняли почти 10 лет, а транспортировка ― почти два месяца.
В результате телескоп в Нижнем Архызе стал самым большим в мире и удерживал это звание на протяжении 20 лет, до 1993 года. До сих пор он является одним из самых мощных устройств в руках российских астрономов.
Ученые ЛИТМО разрабатывали не только элементы для наземных телескопов. В ленинградском вузе также проектировали элементы для космических аппаратов. В середине 1980-х Советский союз запустил две автоматические межпланетные станции: «Вега-1» и «Вега-2». Разработкой телескопа для аппарата «Вега-2» занималась доцент кафедры теории оптических приборов ЛИТМО Галина Цуканова. Благодаря этой работе удалось получить снимки знаменитой кометы Галлея. Память о проекте «Вега» до сих пор жива ― в честь него названа одна из деталей рельефа Плутона, которая носит название Земля Веги.
В июле 1988 года с разницей в пять дней были запущены два аппарата «Фобос-1» и «Фобос-2». Это были международные проекты, в которых принимали участие СССР, страны соцлагеря, Финляндия, Франция, Австрия, Европейское космическое агентство. Целью экспедиции была высадка на спутник Марса Фобос. На устройстве стоял лазерный высотомер, разработанный в ЛИТМО, его копия до сих пор хранится в музее истории ИТМО. По итогам миссии удалось получить высокоточные снимки Фобоса и данные о магнитном поле спутника Красной планеты.

Сейчас: оборудование для изучения планет и звезд
Специалисты Университета ИТМО продолжают совместную работу оснащения Специальной астрофизической обсерватории РАН в поселке Нижний Архыз. Сейчас в петербургском вузе рассчитывают оптические системы спектрографа, который поможет в поиске и изучении экзопланет ― то есть планет, которые вращаются вокруг других звезд.
Алексей Бахолдин,
декан факультета прикладной оптики:

«Невозможно увидеть напрямую планету, которая находится в другой системе, даже с помощью самых современных телескопов. Но можно зафиксировать момент прохождения планеты по диску своей звезды. Когда это происходит, она перекрывает часть света звезды, поток излучения которой становится чуть меньше. Кроме того, если у планеты есть атмосфера, то она влияет на детектируемый спектр от звезды. Изучая эти изменения, мы можем судить о самой планете и ее атмосфере. Для этого и применяются высокоразрешающие спектрографы, которые мы рассчитываем».
Сейчас: космическое волокно
Сегодня оптики ИТМО также работают над проектированием фокальных инструментов солнечного телескопа-коронографа для Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН. Этот масштабный проект создается специально для изучения Солнца. Специалисты ИТМО разрабатывают спектрографы и фильтрографы, которые преобразуют излучение после зеркального объектива телескопа. Они помогут изучать магнитное поле нашего светила, получать информацию о развитии пятен и протуберанцев на Солнце, предсказывать солнечную погоду и исследовать многие другие процессы на нашей звезде.

Сейчас в Университете ИТМО разрабатываются новые материалы для создания силовой электроники, которую будут устанавливать на искусственные спутники. Также в лабораториях создаются специальные устройства для космических аппаратов ― ученые тестируют новый волоконно-оптический гироскоп. Он необходим для того, чтобы аппарат точно понимал свое положение в пространстве и поддерживал курс. Для этого в ИТМО разрабатывают специальное оптоволокно для использования в космических гироскопах.
Станислав Аксарин,
заведующий лабораторией сборки и юстировки устройств световодной фотоники:

«Под действием радиационного излучения стандартное оптическое волокно начинает "слепнуть". Оптическое излучение, проходящее через волокно, поглощается в сердцевине, и прибор перестает работать. Мы создаем и изучаем оптоволокно с сердцевиной из чистого кварца, которая не подвержена разрушительному воздействию радиации».
Также ученые работают над созданием датчиков температуры для космических аппаратов. Эти датчики будут выполнены на тонком волокне, что по объему и массе выгодно отличает их от электрических с обилием медных проводов. Это позволяет существенно сократить общий вес аппаратов.
Биотехнологии
1930-е: подготовка кадров для пищевой промышленности

В 1931 году в Ленинграде были созданы два учреждения: Ленинградский институт инженеров молочной промышленности (ЛИИМП) и Ленинградский учебный механико-технологический холодильный комбинат (ЛУМТХК). Перед войной эти учебные заведения меняли названия и программы обучения. Они занимались сходными вопросами ― подготовкой кадров для пищевой промышленности и инженеров, занимающихся холодильными установками.
1940-е: технологии, которые спасли жизни
Ученые-пищевики и технологи спасли тысячи жизней во время Великой Отечественной войны. Михаил Иванович Княгиничев, который к началу войны работал в лаборатории при Ленинградском тресте хлебопечения, стал одним из авторов рецептуры блокадного хлеба.

Михаил Иванович Княгиничев
После того, как вокруг Ленинграда замкнулось кольцо блокады, он и его коллеги должны были найти способ продолжить выпекать хлеб, хотя сырья катастрофически не хватало. Им удалось сделать хлеб из сырья, которое до войны не могло попасть в печи городских пекарен. После войны он стал преподавателем объединенного Ленинградского института холодильной и молочной промышленности, созданного после объединения вузов, созданных в 1931 году.

Катастрофически не хватало и молока, которое было нужно для кормления детей и раненых. Тогда ленинградские ученые, среди которых была Екатерина Данини, предложили технологию получения заменителя молока из сои, а также концентрированного продукта шрота из остатков соевых бобов.

1950-е: новые разработки
После окончания войны объединенный Ленинградский институт холодильной и молочной промышленности продолжал готовить студентов и вести научные разработки. Профессор Николай Головкин разработал метод хранения продуктов при температурах, приближавшихся к криоскопическим. Профессор Александр Грищенко разработал новую технологию производства сливочного масла. Его книга на эту тему издавалась за пределами СССР.

2010-е: СПбГУНиПТ вошел в состав Университета ИТМО
В 2011 году Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий вошел в состав Университета ИТМО. Исследования в области холодильных, пищевых и экологических технологий получили развитие в Первом неклассическом.

Сейчас: разработка новых продуктов питания
Сейчас ученые мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем работают над новыми хлебными заквасками, которые призваны повысить качество хлеба и его ценность. Ведутся эксперименты с использованием льняной муки.

Кроме того, ученые исследуют возможности создания заменителей молока из новых растений. Помимо привычного гречишного, соевого, пшеничного молока, специалисты хотят создавать белковые напитки из тритикале, люпина и семян подсолнечника. Активно разрабатываются новые сорта пива ― идет работа над пенным напитком со свойствами пробиотика. Также ведутся работы над безглютеновым пивом.

«Еще одно направление ― снижение токсичности этанола в пиве. Есть растения, которые традиционно используются для этой цели в некоторых культурах. Одни травы ― для вина, другие для крепкого алкоголя. Мы уже начали эксперименты с пивом», ― рассказывает профессор факультета биотехнологий Татьяна Меледина.
Разрабатываются рецептуры и технологии для производства мороженого для веганов, мороженое, обогащенное биологически-активными веществами, с пробиотическими микроорганизмами, а также мороженое для спортсменов.
Ведется разработка пищевых красителей, сохраняющих свои свойства на протяжении всего срока хранения продукта. Разрабатываются системы доставки биологически-активных веществ и пробиотических микроорганизмов для обогащения пищевых продуктов различных групп населения.

Ведутся разработки, направленные на получение экстрактов и наноэмульсий для пролонгирования сроков хранения пищевых продуктов. Также ученые проводят исследования по созданию концентратов напитков, сохраняющих свои полезные свойства при длительном хранении. Проводятся исследования по выделению и идентификации новых штаммов дрожжей и ведутся разработки натуральных пищевых покрытий на основе хитозана, желатина и крахмала, безопасных для окружающей среды.


Над проектом работали:

Текст: Константин Крылов
Фото и видео: Маргарита Ерукова
Оформление: Екатерина Шевырёва
Редактор: Елена Меньшикова
© ITMO.NEWS
Учредитель: Университет ИТМО
Правила использования контента
В проекте использованы фото, предоставленные Музеем Университета ИТМО

К началу