Tag: #044

Pomimo że Wielka Brytania nie jest już krajem Europejskiej Wspólnoty i transfer całego sprzętu w dwóch ciężarówkach wymagał specjalnej dokumentacji celnej, na szczęście obyło się tym razem bez większych problemów. Wielki teatr, Brighton Dome, którego historia sięga XIX wieku, a który rozpoczął swoje życie jako królewskie stajnie, ugościł tym razem uczestników konferencji TNC hasłem „Brighter Together”.

Co prawda przy takiej liczbie uczestników (ponad 800 z 70 krajów) trudno było o „together” na wszystkich sesjach, dlatego też organizatorzy wynajęli dodatkowo przestrzenie pobliskiego hotelu oraz… kościoła Unitarian, aby zmieścić cały konferencyjny program. Niemniej jednak podczas imprez wieczornych, towarzyszących TNC, udało się spotkać z wieloma przedstawicielami bliźniaczych instytucji badawczych i sieciowych z całego niemal świata.

Kolejny już raz PCSS odpowiadał za oprawę konferencji – za światło, dźwięk, muzykę, grafikę, oficjalne otwarcie imprezy, wsparcie rejestracji i narzędzi online. Rozpoczęliśmy występem zespołu na żywo – jak na scenę, która gościła premierowe wykonanie „Dark Side of the Moon” Pink Floyd w 1972 roku czy wygraną Abby na Eurowizji w 1974 roku z piosenką „Waterloo” przystało! Wykorzystaliśmy czarno-białe zdjęcia archiwalne z Brighton, żeby je pokolorować na otwarcie i sprawić, że cztery wielkoformatowe ekrany LED zabłysną „brighter” pełnią kolorów podczas kolejnych sesji.

TNC w Brighton było pierwszą konferencją nowej CEO GÉANT – Lise Fuhr, która doskonale poradziła sobie w roli prowadzącej. Zresztą, jak co roku, nowinek było znacznie więcej. Sesje Lightning Talk były nieco odchudzone, tak, że starczyło czasu na rozmowy panelowe z prezenterami, a przestrzeń wystawy znalazła się tym razem w hali Corn Exchange, gdzie odbywały się także dodatkowe prelekcje… tylko dla posiadających słuchawki, by nie zakłócać rozmów na stoiskach. To było prawdziwe targowisko, zorganizowane na kształt kolorowego rynku, jarmarku partnerów reprezentujących krajowe i regionalne sieci badawcze i edukacyjne, szkoły, uczelnie wyższe, dostawców technologii oraz przedstawicieli najbardziej innowacyjnych projektów naukowych z całego świata.

Uczestnicy konferencji mieli niepowtarzalną okazję do wymiany doświadczeń, co było szczególnie widoczne na stoisku PIONIER-a i PCSS, gdzie zaprezentowano ponad 10 projektów (szczegóły dostępne w osobnym artykule: https://www.news.pionier.net.pl/projekty-pioniera-na-tnc25/). Zaznaczona została także działalność sieci oraz Konsorcjum PIONIER. Nasza przestrzeń wyróżniała się nowoczesnym ekranem LED o wymiarach 3 × 2,5 metra, na którym prezentowane były dedykowane, animowane materiały wizualne. Goście mieli również okazję poczęstować się firmowymi krówkami, które cieszyły się dużym zainteresowaniem, wywołując uśmiechy i zachęcając do inspirujących rozmów.

Intensywny czas pobytu w kolorowym mieście Brighton zakończył się zaproszeniem na przyszły rok. Tym razem TNC zmierza do Skandynawii, na drugą stronę Bałtyku – do Helsinek!

Wojciech Bohdanowicz, Damian Niemir

Pomiar temperatury realizowany jest m.in. w oparciu o zjawisko wstecznego rozpraszania Brillouina. Włókno pełni funkcję rozproszonego czujnika światłowodowego, umożliwiając pomiar temperatury wzdłuż całej jego długości.

Opis miernika DTS i zasad pomiaru

Kiedy impuls świetlny (promień laserowy) propaguje się przez włókno światłowodowe, niewielka jego część ulega rozproszeniu wstecznemu. W przypadku rozpraszania Brillouina, oddziaływanie światła z falami akustycznymi (fononami) w materiale włókna prowadzi do powstania rozproszonego światła o nieco zmienionej częstotliwości. To przesunięcie częstotliwości, zwane przesunięciem częstotliwości Brillouina, jest wrażliwe zarówno na temperaturę, jak i na naprężenie mechaniczne włókna.

Kluczowe aspekty działania to:

• Wysyłanie impulsu światła: Do włókna optycznego wysyłany jest krótki impuls światła laserowego.
• Rozpraszanie Brillouina: Gdy światło propaguje się przez włókno, w każdym punkcie następuje rozpraszanie Brillouina. Powstają fale rozproszone wstecznie (tzw. Stokesa i anty-Stokesa), których częstotliwość jest przesunięta względem częstotliwości światła padającego.
• Zależność od temperatury: Przesunięcie częstotliwości Brillouina zmienia się liniowo wraz z temperaturą włókna. Oznacza to, że im wyższa temperatura, tym większe jest przesunięcie częstotliwości.
• Zależność od naprężenia: Podobnie jak w przypadku temperatury, częstotliwość Brillouina jest również wrażliwa na naprężenie włókna. Aby odróżnić wpływ temperatury od naprężenia często stosuje się techniki, które pozwalają na jednoczesny pomiar obu parametrów lub wykorzystuje się włókna o specjalnej konstrukcji, w których wpływ jednego z tych czynników jest zminimalizowany lub łatwo kompensowany.
• Lokalizacja: Dzięki zastosowaniu zasad reflektometrii czasowej (OTDR – Optical Time-Domain Reflectometry), czas powrotu rozproszonego światła pozwala na precyzyjne określenie miejsca, z którego pochodzi rozproszone światło. To umożliwia rozłożony pomiar temperatury, czyli uzyskanie profilu temperatury wzdłuż całej długości włókna.

Cechą charakterystyczną rozproszenia Brillouina jest przesunięcie częstotliwości rozproszonego światła proporcjonalnie do zmiany gęstości włókna. Zmiana gęstości natomiast wynika ze zmian temperatury włókna, jak i odkształcenia włókna, która jest następstwem jego naprężenia.

W ramach projektu PIONIER-LAB został zakupiony miernik FibrisTerre 5020.

System wykorzystuje standardowe przemysłowe światłowody, jako ciągłe, dalekosiężne czujniki naprężeń i temperatury.

FibrisTerre 5020 zmierzy charakterystyczne przesunięcie częstotliwości Brillouina w każdej pozycji wzdłuż włókna. Przesunięcie częstotliwości Brillouina zmienia się zarówno pod wpływem temperatury, jak i odkształcenia – liniowo w szerokim zakresie.

Zależności te można sprowadzić do prostych równań liniowych:

Jak widać przesunięcie częstotliwości Brillouina związane jest zarówno ze zmianą temperatury jak i wpływających na włókno napręzeń mechanicznych.

Konieczne jest „wyizolowanie” wpływu ɛ (naprężenia) na włókno odpowiadające za pomiar T.

Pytanie brzmi: jeśli zarówno temperatura, jak i odkształcenie mają wpływ na mierzoną wielkość – przesunięcie częstotliwości Brillouina – w jaki sposób system monitorujący może rozróżnić, który z nich się zmienił?

Taka sytuacja ma miejsce, gdy zarówno odkształcenie, jak i temperatura muszą być rejestrowane jednocześnie w tej samej strukturze. Interesujący jest pomiar tylko odkształcenia lub tylko temperatury, ale obie z tych wielkości fizycznych mogą wykazywać wpływ krzyżowy – wówczas, któraś z nich (odkształcenie lub temperatura) musi zostać skompensowana (w większości przypadków będzie to żądanie pomiaru odkształcenia z kompensacją temperatury).

Jednym z rozwiązań, które okazało się praktycznie wykonalne to użycie dwóch światłowodowych włókien czujnikowych równolegle wbudowanych w jedną konstrukcję kabla.

Teoretycznie idealnym rozwiązaniem byłoby zastosowanie nieizolowanego włókna, ale wówczas poziom zabezpieczenia przed uszkodzeniem jest oczywiście niewystarczający. Potrzebny jest kompromis między ochroną włókna, a zachowaniem jego zdolności wykrywania odkształceń. Aby przełożyć zewnętrzne naprężenia na włókno trzeba zastosować konstrukcje o jak najmniejszym efekcie poślizgu pomiędzy poszczególnymi warstwami wewnętrznymi kabla.

Do jednoznacznego wyodrębnienia obserwacji naprężenia w konstrukcji kabla, zastosowane powinno być drugie włókno w jak najmniejszym stopniu zależne od odkształceń i sił mechanicznych działających na kabel, a co za tym idzie mogące kompensować zmiany temperatury.

Wspomnianą kompensację temperatury zapewnia włókno umieszczone w luźnej tubie. Ważne jest by zagwarantować niski współczynnik tarcia na styku z kolejną warstwą konstrukcji kabla. Drugie włókno tymczasem pełni funkcję mierzenia odkształceń, aby najlepiej przenosić je na włókno – otaczająca go konstrukcja ma postać ścisłej tuby.

Rys. Propozycja budowy kabla sensorycznego z wykorzystaniem włókna w tubie ścisłej i w tubie luźnej

Tak wyizolowany układ pomiarowy sugeruje również producent miernika DST.

Przykładowe pomiary i obserwacje wyników

W laboratorium światłowodowym CBPIO wykonano przykładowe pomiary temperatury, wykorzystując jako metodę pomiarową analizator BOFDA (włókna podłączono do dwóch portów sensorów i wykonano pomiar w pętli).
Przygotowano układ składający się z 3 typów włókien: Corning Ultra Low Loss 30m, Corning TXF G.654E o długości ok. 20m i 35m włókna standardowego G.652. Zestaw był połączony przez złącza SC/APC ze wspawanymi pigtailami na bazie włókien NZDS G.655. Zestaw włókien podłączono patchcordem światłowodowym z włóknem G.657.

Wyniki pokazały różne odczyty temperatury dla poszczególnych typów włókien. Konieczne jest więc prawidłowe skalibrowanie danego typu włókna do prawidłowego odczytu wartości temperatury. Miernik był skalibrowany dla paramentów włókna ULL. Różne włókna wykazują inną częstotliwość przesunięcia Brillouina.

Dodatkowo można zaobserwować, że włókno TXF najmniej reagowało na zmianę temperatury.

Pomiar trwał 2,5 h prowadzony co 2 min (50 cykli). W tym czasie w pomieszczeniu wyłączono klimatyzator i po ponad 1 h włączono jego pracę by schłodzić pomieszczenie. Zmianę temperatury pokazano powyżej z niebieskim wykresem zmian.

Poniżej wykres z miernika przedstawiający obszary przesunięcia częstotliwości Brillouina:

Oraz wykresy 3D badanego zestawu włókien.

Ponadto, zauważono, że np. włókno NZDS G.655 ma kilka pików zmiany częstotliwości i niestety nie nadaje się do pomiaru temperatury.

Systemy pomiaru temperatury z wykorzystaniem zjawiska Brillouina, często nazywane rozproszonymi czujnikami temperatury (DTS – Distributed Temperature Sensing), oferują możliwości monitorowania. Ich główne zalety to:

Monitorowanie na długich dystansach: Mogą mierzyć temperaturę na odcinkach od kilkuset metrów do dziesiątek kilometrów, co jest niemożliwe dla konwencjonalnych czujników.

• Ciągły profil temperatury: Zamiast punktowych pomiarów, systemy te dostarczają ciągły profil temperatury wzdłuż całego włókna, umożliwiając precyzyjne wykrywanie i lokalizowanie anomalii termicznych (tzw. “gorących punktów”).
• Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI): Ponieważ do pomiarów wykorzystuje się światło w szkle, są one niewrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne, co jest kluczowe w środowiskach przemysłowych.
• Bezpieczeństwo w trudnych warunkach: Światłowody są niekorozyjne i z natury bezpieczne w atmosferach wybuchowych.
• Szeroki zakres temperatur: W zależności od konstrukcji kabla i powłoki włókna, mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, od bardzo niskich do bardzo wysokich (nawet do +750°C).

Typowe zastosowania obejmują:

• Monitoring infrastruktury:
  • Wykrywanie wycieków i monitorowanie odkształceń w rurociągach (gazociągi, ropociągi).
  • Monitorowanie tuneli (np. wykrywanie pożarów, kontrola wentylacji).
  • Kontrola stanu mostów i innych dużych konstrukcji.
  • Monitorowanie temperatury w lądowiskach i pasach startowych.
• Energetyka:
  • Monitorowanie temperatury w kablach energetycznych (podziemnych i napowietrznych) w celu wykrywania przegrzewających się punktów i optymalizacji obciążenia.
  • Kontrola temperatury w elektrowniach.
• Przemysł:
  • Monitorowanie procesów przemysłowych, np. w piecach lub zbiornikach magazynowych.
  • Wykrywanie pożarów i monitorowanie temperatury w magazynach i obiektach przemysłowych.
• Geotechnika i środowisko:
  • Monitorowanie osuwisk.
  • Badania geotermalne.

Technologia ta jest dynamicznie rozwijana, oferując coraz większą dokładność i zasięg pomiarów, co czyni ją atrakcyjnym rozwiązaniem dla szerokiej gamy zastosowań wymagających rozłożonego monitoringu temperatury i odkształceń.

Piotr Turowicz, Krzysztof Kołat

Komputery kwantowe różnią się fizycznym sposobem implementacji kubitów czyli elementarnych jednostek obliczeniowych w systemie oraz samym sposobem przeprowadzania obliczeń.

Z szerszego punktu widzenia implementacje komputerów kwantowych dzielimy na 3 główne grupy:
– systemy, gdzie kubity są implementowane w nadprzewodzących układach scalonych,
– systemy fotoniczne oparte na przetwarzaniu pojedynczych i splątanych fotonów,
– systemy oparte na manipulowaniu układami atomowymi (pułapki jonowe, centra NV, neutralne atomy).

Aktualnie prowadzone są prace nad technologiami implementacji kubitów opartych na:

1. Systemach optycznych, gdzie kubitami są pojedyncze fotony. System taki składa się ze źródeł oraz detektorów pojedynczych fotonów (np. ORCA Computing). Tego typu dwa systemy komputerów kwantowych zostały zintegrowane z klasycznym systemem obliczeniowym i od grudnia 2023 roku udostępniane są użytkownikom w PCSS;
2. Nadprzewodzących układach scalonych (np. IBM Quantum, IQM), gdzie kubity są implementowane na specjalnym układzie scalonym. Taki system został zainstalowany na Politechnice Wrocławskiej w maju 2025 roku;
3. Pułapkach jonowych (np. AQT), gdzie kubity są zaimplementowane jako pojedyncze jony (np. Ca40+) spułapkowane oraz przetwarzane za pomocą sygnałów optycznych. Taki system będzie zainstalowany w PCSS w czerwcu 2025 roku, jako element europejskiej infrastruktury komputerów kwantowych EuroHPC;
4. Wyżarzaczach kwantowych, jako specjalizowanych komputerach kwantowych zaprojektowanych do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych (np. D-Wave);
5. Zimnych atomach, gdzie kubitami są chmury zimnych, obojętnych atomów;
6. Centrach NV w diamentach, gdzie pojedyncze kubity są implementowane jako tzw. centra NV w zmodyfikowanej sieci krystalicznej diamentu;
7. Systemach nadprzewodzących opartych na układach scalonych z kropkami kwantowymi, gdzie kubity są implementowane jako tzw. kropki kwantowe w krzemowym układzie scalonym działającym w stanie nadprzewodnictwa;
8. Systemach topologicznych, gdzie kubity są implementowane w tzw. stanie topologicznym – eksperymentalna technologia na wczesnym etapie rozwoju.

Powyższa analiza pokazuje, że na świecie rozwijane są różne zaawansowane technologie fizycznej implementacji kubitów. Każda z tych technologii ma swoje zalety oraz wady i w pewnym stopniu wzajemnie się uzupełnia. Komisja Europejska inwestuje oraz wspiera rozwój wszystkich tych technologii.

Krzysztof Kurowski, Piotr Rydlichowski