Final projects - אלקטרו-אופטיקה תשפ"ד

הרקע לפרויקט:

עבור טכנולוגיות ביולוגיות רבות, שלב קריטי וראשוני בניתוח הדאטא הוא שלב עיבוד התמונה. זהו שלב המקשר בין קבלת תוצאות הניסוי מהמיקרוסקופ לשלב של הסקת המסקנות הביולוגיות. שלב זה דורש עבודה נרחבת ומגוונת של עיבוד תמונות בתלת-מימד, והוא כולל בין היתר אלגוריתמים של registration, filtering, normalization, thresholding ועוד. בפרויקט זה נשתמש במידע שהתקבל מטכנולוגיה חדשנית המאפשרת מיפוי מדויק של מולקולות ברקמה, ונתמקד באלגוריתמים של עיבוד התמונה שעליהם נשען המשך ניתוח הנתונים.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט יתחיל בהכרה ובהבנה של הדאטא הביולוגי איתו נעבוד, לאחר מכן ימשיך בלמידה של סט האלגוריתמים לעיבוד תמונה בשימוש במעבדה, ובסוף יתמקד בשיפור וביישום האוטומטי שלו על דאטא חדש הקיים היום במעבדה (שילוב של מטלב ו- Shell Script/bash script בלינוקס). מטרת הפרויקט היא לשפר את היישום האוטומטי, ולהתאים ולממש אותו על סוגי רקמות שונים. למשל, רקמות מוח של עכבר, רקמות סרטניות של בני אדם וכו', על מנת לייעל את שלב ניתוח התמונה במעבדה.

תכולת הפרויקט:

• הכרת הנתונים הביולוגיים המשמשים כקלט וכפלט לשלב עיבוד התמונה.
• למידת כלים ואלגוריתמים חשובים בתחום של עיבוד תמונה.
• הבנת סט האלגוריתמים בשימוש במעבדה, המבוסס ברובו על registration בתלת מימד.
• שיפור כלי שכבר קיים במטלב וב Shell Script/bash script בלינוקס המאפשר אוטומציה של סט האלגוריתמים. המטרה היא לשפר את היציבות של הכלי הקיים ולהבטיח שהוא עובד על סוגי דאטא שונים.
• מימוש הכלי החדש על סוגי דאטא שונים.

קורסי קדם:

סדנה במטלב (או לחילופין ניסיון מוכח בעבודה עם מטלב)

דרישות נוספות:

• רקע במטלב - חובה
• רקע בלינוקס - חובה
• רקע בעיבוד תמונה - יתרון
• רקע בניתוח נתונים - יתרון
• רקע ב - Shell Script/bash script - יתרון

מקורות:

https://www.alonlab.org/technology

הרקע לפרויקט:

Today, many drugs have unacceptable side effects due to the drug’s interaction with healthy tissues that are not the target site. Drug delivery systems are engineered technologies for targeted delivery and/or controlled release of therapeutic agents. Drug delivery systems that respond to external stimuli have a great research interest, as they enable the pulsatile release of drugs, according to external alterations. Many physical and chemical stimuli can be used as triggers, such as temperature, pH, light, electric fields, magnetic fields, osmotic pressure, and ultrasound (US). The US attracts great attention, due to its many advantages: absence of ionizing radiations, low cost, ease of operation, and the ability to transmit energy to precise locations.

מטרת הפרויקט:

Our goal is to develop an implantable device, loaded with drugs for controlled and under-demand release of the drug.
The students will design and fabricate a polymeric-based device for controlled drug delivery by acoustic waves. They will simulate theoretically and examine experimentally the effect of acoustic waves upon the device and cells in culture.

תכולת הפרויקט:

The student will simulate the acoustic force with the simulation software COMSOL. The simulation will be based on the physical properties of our system and examine it under different conditions. According to the results, the student will design and fabricate a model device, based on ultrasound-responsive polymer, combined with a drug.

קורסי קדם:

• פזיולוגיה כמותית
• דימות רפואי

מקורות:

1. Kim, H. J.; Matsuda, H.; Zhou, H.; Honma, I. Ultrasound-Triggered Smart Drug Release from a Poly(Dimethylsiloxane)- Mesoporous Silica Composite. Advanced Materials 2006, 18 (23), 3083–3088.
2. Cohen, S.; Sazan, H.; Kenigsberg, A.; Schori, H.; Piperno, S.; Shpaisman, H.; Shefi, O. Large-scale acoustic-driven neuronal patterning and directed outgrowth. Scientific Report 2020, 10.
3. A. Stewart, S.; Domínguez-Robles, J.; F. Donnelly R.; Larrañeta, E. Implantable Polymeric Drug Delivery Devices: Classification, Manufacture, Materials, and Clinical Applications. Polymers 2018, 10, 1379.

הרקע לפרויקט:

לייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ארסנייד הינם המקור היעיל ביותר לקרינת טרה-הרץ. עם זאת, טמפרטורת העבודה של לייזרים אלה מוגבלת ואינה עולה על 200 קלווין. בשל כך כדיי להפעיל את לייזרי הקסקדה הקוונטיים לתחום הטרהרץ נדרש לקרר אותם לטמפרטורות נמוכות סביב 150 קלווין. כדיי לקרר יש צורך לצמד את הלייזרים למקרר המקשה על אינטגרציה של מקורות הקרינה אלה במערכות אלקטרואופטיות. הפרויקט יעסוק בחקר הביצועים של מבני לייזרי קסקדה קוונטיים לתחום הטרהרץ במטרה להבין את מנגנוני הפעולה שלהם ולאפשר מבנים איתם יהיה אפשר לעבוד בטמפרטורת החדר.

מטרת הפרויקט:

פסקה המתארת מה ההישגים המצופים מהפרויקט ומה יהיו התוצרים הסופיים של הפרויקט

תכולת הפרויקט:

בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו) הסטודנטים יבצעו סימולציה של מספר מבנים של לייזרי קסקדה קוונטיים לתחום הטרה-הרץ וייחלצו מהסימולציה של המבנים פרמטרים כמו עקומות זרם-מתח וספקטרום של ההגבר של הלייזר במתחים וטמפרטורות שונות.

קורסי קדם:

נטייה לקורסים פיזיקאליים. (קדם מ"למ)

דרישות נוספות:

הכירות עם תוכנת מטלאב. כישורי מחשב וסימולציה.

מקורות:

https://www.nextnano.com/customer/tutorials.php

הרקע לפרויקט:

טמפרטורת העבודה של לייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ארסנייד מוגבלת ואינה עולה על 200 קלווין. אחד הגורמים מגבילים הינה האנרגיה הנמוכה ליצירת פונונים בחומר זה. בגליום ניטריד לעומת זאת אנרגיה זו גבוהה פי שלוש מזו של גליום ארסנייד. בשל כך נחזה שלייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ניטריד יוכלו לעבוד בטמפרטורת החדר. הפרויקט יעסוק בחקר הביצועים של מבני לייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ניטריד לתחום הטרהרץ במטרה לאפשר מבנים איתם יהיה אפשר לעבוד בטמפרטורת החדר.

מטרת הפרויקט:

במהלך הפרויקט בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו) הסטודנטים יחקרו את ביצועיהם של מבנים שונים של לייזרי קסקדה קוונטים מבוססי גליום ניטריד לתחום הטרה-הרץ. לאחר השוואה של הפרמטרים הפיזיקאליים של מספר מבנים שונים, הסטודנטים ימליצו על מבנים הצפויים לתת ביצועי טמפרטורה טובים.

תכולת הפרויקט:

בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו) הסטודנטים יבצעו סימולציה של מספר מבנים של לייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ניטריד לתחום הטרה-הרץ וייחלצו מהסימולציה של המבנים פרמטרים כמו עקומות זרם-מתח וספקטרום של ההגבר של הלייזר במתחים וטמפרטורות שונות.

קורסי קדם:

נטייה לקורסים פיזיקאליים. (קדם מל"מ).

דרישות נוספות:

הכירות עם תוכנת מטלאב. כישורי מחשב וסימולציה.

מקורות:

https://www.nextnano.com/customer/tutorials.php

הרקע לפרויקט:

תהליך המנהור הקוונטי הוא תהליך קוונטי בסיסי אשר במהלכו אלקטרון יכול לעבור בהסתברות מלאה מתחת למחסום פוטנציאל אפילו שאין לו מספיק אנרגיה לעשות זאת.
על בסיס התופעה הקוונטית המעניינת הזו פותחו מגוון של התקנים אלקטרוניים כמו דיודות מנהור רזונטיביות, והתקני טרנזיסטורים קוונטיים, מיקרוסקופיים מבוססי מנהור ואלקטרוניקה מולקולרית.

דיודות מנהור רזונטיביות מבוססות על שכבות דקות של ננו – חומרים אשר מונחות אחת על השנייה.

ניתן לחשב את האנרגיות הרזונטיביות שבהן אלקטרון יכול לעבור מנהור ע"י מודלים שמתארים את השכבות הננו מטריות של החומרים השונים ופתירת משוואת שרדינגר .
הוספת לייזר למערכת כזו תגרום לאינטראקציות בין אור לחומר אשר יכולים לגרום לאפקטים קוונטים חדשים שבעזרתם ניתן לתכנן גלאים קוונטים בעלי רגישות מאד גבוהה לאורכי גל .
בפרויקט זה אנחנו נבדוק כיצד הוספת לייזר משפיעה על הסתברות המעבר בהתקנים ננו מטרים כאלו , כיצד ניתן להנדס את המבנים הננו מטרים כך שאפשר יהיה לתכנן גלאי קוונטי המבוסס על אינטראקציות לייזר עם האלקטרונים במבנה הננומטרי ומנהור קוונטי רזונטיבי.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא לחקור את השפעת הלייזר על תכונות המנהור של האלקטרון במבנה ננו מטרי של מוליכים למחצה . לבנות מודל חישובי אשר מחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנה בעל שכבות דו מיימדיות של מוליכים למחצה שונים.

בעזרת מודלים חישוביים נוכל לתכנן גלאי קוונטי מבוסס על דיודות מנהור רזונטיביות . במהלך הפרויקט הסטודנט יבנה מודל תאורטי שמחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנים ננו מטרים עם ובלי השפעת לייזר. הסטודנט יחקור כיצד שינוי הפרמטרים השונים של המבנה (סוגי החומרים ועובי השכבות ) משפיעים על התופעות הקוונטיות השונות , בכדי להבין כיצד ניתן לקבל את האפקט הקוונטי בצורה אופטימלית . בנוסף הסטודנט יחפש חומרים מתאימים ע"י חישוב מבנה אלקטרוני של ננו חומרים בעזרת סימולציות מבוססות על תורת פונקציונל הצפיפות.

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על תופעות מנהור קוונטי וכיצד הן באות לביטוי בהתקנים אלקטרוניים, בדגש על דיודות מנהור רזונטיביות.
• למידת נושא של בניית מודלים למבנים ננו מטריים , וחישוב הסתברויות מעבר עבור מודליים כאלו בשיטות נומריות ואנליטיות.
• בניית מודל תאורטי המחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנה ננו מטרי של שכבות מוליכים למחצה.
• הוספת אינטרקציה של לייזר למודל וחישוב ההסתברות.
• הגשת דוח מסכם.

קורסי קדם:

83204 מכניקה קוונטית שימושית

מקורות:

1. Interatomic Coulombic decay in two coupled quantum wells, Tamar Goldzak, Liron Gantz, Ido Gilary, Gad Bahir, and Nimrod Moiseyev Phys. Rev. B 91, 165312.
2. Non-Hermitian Quantum Mechanics, Nimrod Moiseyev.
3. Laser Control of Resonance Tunneling via an Exceptional Point, Anael Ben-Asher, Daniel Šimsa, Tereza Uhlířová, Milan Šindelka, and Nimrod Moiseyev Phys. Rev. Lett. 124, 253-202 .

הרקע לפרויקט:

המהפכה הקוונטית השנייה משנה את עולם הטכנולוגיה כבר קיום. החיפוש אחרי מקור פליטה של פוטון בודד אשר יכול לפעול בטמפרטורת החדר ובעל יעילות קוונטית גבוהה מהווה נושא מחקר בהמון תחומים שונים קיום. פגמים נקודתיים בשכבות דו ממדיות הם פלטפורמה מבטיחה לפיתוח של מרכז צבע פולט אור בטמפרטורת החדר ואינטגרציה של מבנים אלו בהתקנים אופטואלקטרוניים קיימים .

קשה לקבוע את המבנה של אותם פגמים נקודתיים בתוך השכבות הדו ממדיות ולכן חישובים של מבנה אלקטרוני של חומרים , הפותרים את משוואת שרדינגר בצורה נומרית ללא ידע מוקדם מניסוי , מהווים בסיס לקביעת המבנה של פגמים אלו ויכולים לעזור בפיענוח של תכונות ספקטרוסקופיות כלומר הבנה כיצד משפיע המבנה של הפגמים בתוך השכבות על התכונות האופטיות של החומרים . סימולציות אלו יכולות לעזור בפיתוח של מקור פליטה של פוטון בודד אשר יכול להוות אבן בסיס לטכנולוגיות קוונטיות שונות , כגון : מחשוב קוונטי , גלאים קוונטים ותקשורת קוונטית.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות אופטיות ומבניות של פגמים נקודתיים בשכבות דו מימדיות על ידי סימולציות first principle ללא ידע מוקדם מניסוי .
הסטודנט יחקור כיצד מודלים תאורטיים מבניים שונים של פגמים נקודתיים בשכבות דו ממדיות המתאימות לאירוח של מרכזי צבע פולטי אור משפיעים על התכונות האופטיות של החומרים השונים. דוגמא לחומר אחד כזה הוא בורון ניטרידי הקסגונלי . הסטודנט יחקור כיצד מבנים שונים של פגמים יכולים לשנות את מצב היסוד הספיני , דבר אשר חשוב עבור פיתוח של מקור פולט פוטון בודד בטמפרטורת החדר שיכול להוות קיוביט , אבן הבסיס של מחשב קוונטי.
הסטודנט יחקור מספר שכבות וינסה מספר שיטות המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על מקורות אור בודדים המבוססים על פגמים נקודתיים בחומרים.
• סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.
• יצירת מודלים תאורטיים למבנים אפשריים של פגמים נקודתיים בחומרים דו ממדים.
• סימולציות של תכונות מבניות של החומרים הננו מטרים כגון אנרגית יצירה של פגמים אלו ע"י שיטות חישוב מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.
• סימולציות של תכונות ספקטרוסקופיות של החומרים הננו מטרים ע"י שיטות חישוב מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות והשוואה למדידות ניסיוניות.
• הגשת דוח מסכם.

קורסי קדם:

83204 מכניקה קוונטית שימושית

מקורות:

1. Ivády, V.; Abrikosov, I. A.; Gali, A. First Principles Calculation of Spin-Related Quantities for Point Defect Qubit Research. Npj Comput. Mater. 2018, 4 (1), 1–13. https://doi.org/10.1038/s41524-018-0132-5.
2. Dreyer, C. E.; Alkauskas, A.; Lyons, J. L.; Janotti, A.; Van de Walle, C. G. First-Principles Calculations of Point Defects for Quantum Technologies. Annu. Rev. Mater. Res. 2018, 48 (1), 1–26. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070317-124453.
3. Goldzak, T.; McIsaac, A. R.; Van Voorhis, T. Colloidal CdSe Nanocrystals Are Inherently Defective. Nat. Commun. 2021, 12 (1), 890. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21153-z.

הרקע לפרויקט:

There are many types of sensors which change the value of a capacitor upon sensing a physical parameter, like pressure, fluid level, mechanical stress and other. This change in capacitance must be detected by a readout circuit, which can be either an analog circuit (analog to digital converter) or a digital circuit in some cases (like a frequency based converter).

מטרת הפרויקט:

In this project an analog/digital capacitance-to-digital readout circuit will be designed for mechanical sensors. These sensors are useful to measure a physical/mechanical parameter, such as pressure/vibration/acceleration/ ultrasound or optical excitation. The sensing capacitor is sensitive to the physical parameter and its capacitance changes linearly during the sensing. The interface circuit is based on two ring oscillators, which drive programmable capacitors. One of the capacitors is the sensing capacitor, while the second capacitor is a known reference capacitor. Each ring oscillator will generate a frequency, which is proportional to the capacitor which it drives. Several algorithms will be used to cancel the offset between the two ring oscillators. The result will be a digital word which is linearly proportional to the sensed parameter. It will be attempted to develop a novel circuit which is competitive with state-of-the-art sensors reported in the literature.

תכולת הפרויקט:

Students involved will survey the prior-art sensors and understand their performance level. After this, a ring oscillator sensor will be designed and simulated using virtuoso tools. The sensor will be compared to the state-of-the-art. An outstanding project may even be able to tape-out the sensor to achieve measured results. This project may lead to a journal publication and can be extended to a Master’s thesis.

קורסי קדם:

• 768330301 אלקטרוניקה לינארית - חובה
• 768332501 מעבדה למעגלים אנלוגיים – חובה
• 8330801 מעגלים אלקטרוניים ספרתיים – חובה
• 83315 מעבדה מעגלים אלקטרוניים ספרתיים – חובה
• 768361101 מעגלים משולבים אנלוגיים – מומלץ

דרישות נוספות:

a lot of motivation!!

מקורות:

1. “Capacitance-to-Digital Converter for Operation Under Uncertain Harvested Voltage down to 0.3V with No Trimming, Reference and Voltage Regulation” by Orazio AIELLO, Paolo CROVETTI and Massimo ALIOTO. International Solid State Circuits Conference 2020, pp. 74.

הרקע לפרויקט:

חישוב תכונות של חומרים ומולקולות כיום הינו תחום רחב הנותן מענה לניבוי תכונות של חומרים חדשים ועוזר בהבנת מנגנונים של תגובות כימיות ומעבר של אלקטרונים בין ממשקים של חומרים שונים.
שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני של מוצקים (electronic structure methods) מבוססות כיום בעיקר על תורת פונקציונאל הצפיפות . תורה זו הינה יעילה חישובית ונותנת תוצאות טובות עבור תכונות מסוימות של חומרים, אבל מתקשים בניבוי של תכונות אחרות .
שיטות חישוב מבנה אלקטרוני אשר מבוססות על כימיה קוונטית , פותרות את משוואת שרדינגר האלקטרונית בצורה נומרית ובעזרת תורת ההפרעות מרובת חלקיקים. כיום הן בעיקר משמשות לחישוב של מולקולות קטנות עד בינוניות , הם שיטות שניתן להגיע לדיוק גבוה מאד בניבוי תכונות של מולקולות , וככול שעולים בסיבוכיות של השיטה כך גם הדיוק עולה .
בשנים האחרונות יש התקדמות בפיתוח של שיטות אלו עבור חומרים בעלי מבנה מחזורי כגון מוצקים ומשטחים. שיטות אלו הראו תוצאות טובות עבור ניבוי של תכונות אופטיות של מוצקים , סיפוח של מולקולות על פני שטח ועוד.
חומרים דו ממדיים הם בחזית הטכנולוגית של יישומי אנרגיה והתקני אופטואלקטרוניקה חדשים , החיפוש המתמיד אחרי חומרים חדשים כיום נמצא בתחומי טכנולוגיה ומחקר רבים.
בפרויקט זה אנחנו נפתח וניישם שיטות חישוב המבוססות על כימיה קוונטית עבור חישוב תכונות של חומרים דו ממדיים וסיפוח של מולקולות על משטחים אלו.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות של חומרים דו מימדיים על ידי שיטות המבוססות על כימיה קוונטית ללא ידע מוקדם מניסוי ( ab-initio ).
הסטודנט ייפתח שיטות חישוב יעילות , המבוססות על תורת ההפרעות ויישם אותם על חומרים דו ממדיים. הסטודנט ישווה זמן חישוב של אלגוריתם של השיטה החדשה ביחס לשיטות הקודמות.
הסטודנט יחקור שיטות שונות ויחשב תכונות שונות של חומרים וישווה את התוצאות לשיטות המבוססות על פונקציונאל הצפיפות .
הסטודנט יחקור חומרים שונים בעלי שכבה אחת וגם בעלי כמה שכבות עם חומרים שונים .

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על חומרים דו מימדיים ושיטות לחישוב תכונות שלהם.
• סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת הפרעות רב גופית.
• כתיבת קוד עבור פיתוח השיטות החדשות .
• סימולציות של תכונות מכניות של החומרים הדו ממדיים והשוואת התוצאות לניסוי ולשיטות קיימות.
• השוואת חסכון בזמני חישוב וזיכרון של השיטה החדשה לעומת שיטות אחרות .
• הגשת דוח מסכם.

קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית, 83204

מקורות:

1. “Accurate thermochemistry of covalent and ionic solids from spin-component-scaled MP2”, T.Goldzak et al, J. Chem. Phys. 157, 174112 (2022) https://doi.org/10.1063/5.0119633.
2. Gaussian-based coupled-cluster theory for the ground-state and band structure of solids, James McClain, Qiming Sun, Garnet Kin-Lic Chan, Timothy C Berkelbach, . Chem. Theory Comput. 2017, 13, 3, 1209–1218, https://doi.org/10.1021/acs.jctc.7b00049.
3. Second-order Møller–Plesset perturbation theory applied to extended systems. II. Structural and energetic properties, Andreas Grüneis; Martijn Marsman; Georg Kresse, J. Chem. Phys. 133, 074107 (2010) , https://doi.org/10.1063/1.3466765.
4. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, by Attila Szabo , Neil S. Ostlund.

הרקע לפרויקט:

Compact digital cameras now require a high pixel count, high imaging performance, and low power consumption. The advantages of a CMOS image sensor are low power and easy system integration with on-chip circuits.

High-speed CMOS image sensors with on-chip ADC have been developed, and the relatively simplified Single-Slope (SS) ADC is widely used in a variety of image sensors. The column-counter is one of the main building blocks of the SS-ADC, and its high-speed operation and low-power consumption operation are essential for meeting the imager requirements.

מטרת הפרויקט:

In this work the student plan to explore the state of-the art column counter architectures and design a high-speed and low power 10-bit column-parallel counter for SS -ADC.

תכולת הפרויקט:

• Literature survey
• Design consideration & analysis.
• Design: schematic, spice simulations, (layout work is pending on available resources).

קורסי קדם:

83313

מקורות:

1. 12-bit Column-Parallel Single-Slope ADCs with Operation-Period-Reduced Time-to-Digital Converters for CMOS Image Sensors, Tokyo, Japan.
2. A Low-power 65/14nm Stacked CMOS Image Sensor, Samsung Electronics, Hwaseong, South Korea.

הרקע לפרויקט:

בפרוייקט זה יש ללמוד על מקורות אור קוונטיים, תכונותיהם ואופן המדידה והניתוח הסטטיסטי של פליטת פוטונים. במהלך הפרוייקט מספר שלבים, הכולל:

1. הכרות והבנה של מערכת המדידה
2. איסוף נתונים
3. ניתוח נתונים סטטיסטיים באמצעות כלי למידה עמוקה.

עבור שלב 3 - יינתנו נתונים מדודים לסטודנטים בתחילת הסמסטר כדי להתחיל את עבודת התכנות על בסיס נתונים קיימים.

מטרת הפרויקט:

בניית כלי ניתוח נתונים סטטיסטי למדידות קוונטיות

תכולת הפרויקט:

1. לימוד מערכת מדידה אופטית לביצוע מדידות קוונטיות.
2. ביצוע מדידות ואיסוף נתונים.
3. כתיבת קוד לניתוח נתונים.

קורסי קדם:

למידת מכונה, נסיון בתכנות בפייתון

דרישות נוספות:

למידת מכונה, נסיון בתכנות בפייתון

מקורות:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c03640

הרקע לפרויקט:

מרבית מערכות ההמלצה (Netflix,google maps) מבוססות דירוג משתמשים והתאמה בין משתמשים שונים שהדירוג שלהם ״דומה״. למערכות המלצה מסוג זה קיימות בעיות אמינות רבות, והטיה מסויימת לדעות ״נפוצות״. בעיה משמעותית במערכות אלו היא שדירוגי כלל המשתמשים מקבלים שקלול זהה. במצב זה דירוג ״מומחים״ נבלע בתוך כלל הקולות ולא מקבל משקל יתר, מצב שעשוי להיות קריטי בהמלצה על שירותי רפואה, למשל.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נפתח מערכת המלצה לבתי קפה. קפה איכותי הוא קפה שמיוצר ע״י מכונת קפה מקצועית (כזו שטוחנים בה את הפולים, למשל), ולא ע״י מכונה אוטומטית או חלילה, קפה שנשמר בתרמוס. מערכת ההמלצה של גוגל-מפות משתמשת בדירוגי כלל המשתמשים (שלא תמיד מבינים בקפה). מערכת זו אינה מתאימה לאוהבי הקפה, שמעדיפים קפה שהוכן ביד מקצועית, במכשור הנכון ובמיומנות הנדרשת. הפרוייקט יכלול מערכת תוכנה שתסרוק את התמונות שמעלים המשתמשים בgoogle map ותנסה לזהות בתי קפה ״איכותיים״. הקושי כאן הוא להגדיר מהו בית קפה איכותי ואיך ניתן לזהות זאת מהתמונות / טקסטים שהעלו הממליצים. התוכנה תשתמש במערכות למידת מכונה ML על מנת לזהות מהתמונות מאפיינים המגדירים קפה איכותי (למשל: מכונה מקצועית, או דירוג לפי צילומי כוסות הקפה שהוכנו). המערכת תשקלל את הגורמים הללו ליצירת המלצה המתאימה לחובבי קפה.

תכולת הפרויקט:

שלבי הפרויקט יכילו : (1) הגדרת התוכנה ויכולותיה לפי הרעיון לעיל (2) איסוף תמונות וסיווגן, אימון מערכת למידה ממוחשבת ML למתן ציון מתאים (3) פיתוח מלא של אתר/אפליקציה המממש את המערכת ומשקלל את תוצאות הML עם שאר הציונים. (4) בדיקת המערכת על בתי קפה בעולם.

קורסי קדם:

הנדסת תוכנה
מבוא ללמידת מכונה

מקורות:

n/a

הרקע לפרויקט:

The Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) stands as a pivotal variational quantum algorithm for approximating solutions to combinatorial problems, and is currently a flagship in the field of quantum computing. Recently, we have developed a qubit-efficient algorithm designed to heuristically solve the MaxCut problem, a well-known combinatorial NP-hard problem. Owing to its qubit efficiency, this algorithm necessitates relatively shallow quantum circuits, thereby reducing susceptibility to noise. Consequently, we anticipate that this Qubit-Efficient MaxCut (QEMC) algorithm will outperform the QAOA on existing noisy quantum hardware, a hypothesis supported by our preliminary tests. However, we have also demonstrated that in its present form, the QEMC is classically efficiently simulatable, implying it does not achieve quantum speedup. This raises a critical question: what is the relationship between QAOA and QEMC, and what insights can be gained about QAOA's potential to demonstrate a quantum advantage? The aim of this project is to explore and answer these questions.

מטרת הפרויקט:

The goal of this project is to answer the following question: is there any computational setting \ (non-zero) noise level for which we can expect QAOA to perform better than the QEMC? We will consider the following aspects: noise levels, types of quantum hardware, graph families, and graph sizes.

תכולת הפרויקט:

The students are expected to:

• Understand and implement the QAOA
• Understand and implement the QEMC algorithm
• Improve the QEMC algorithm with respect to the required number of layers.
• Run the QAOA and QEMC on noisy simulations and different types of real quantum hardware for a verity of graphs with up to 20 qubits.
• Present the results in a meaningful way
• Extrapolate the results for larger graphs and identify the condition required for the QAOA to outperform the QEMC algorithm

קורסי קדם:

• Quantum computing
• Quantum machine learning

דרישות נוספות:

Any knowledge on machine learning will be a plus.

מקורות:

https://arxiv.org/abs/2308.10383

הרקע לפרויקט:

We have recently developed the qubit-efficient MaxCut (QEMC) algorithm for heuristically solving the MaxCut problem on quantum hardware using few qubits. By simulating this algorithm on classical machines, we derived a new quantum-inspired algorithm and demonstrated numerically that it outperforms the best approximation MaxCut algorithm, namely the Goemans-Williamson (GW) algorithm. While the GW algorithm guarantees the highest lower bound solutions, it is not always the best in practice, as several classical algorithms were shown to outperform it in specific graph instances. To establish the QEMC as a competitive heuristic it is therefore necessary to compare it also against these state-of-the-art heuristics and check if there exist graph families for which it performs the best. This is the essence of this project.

מטרת הפרויקט:

The goal of this project is to position the QEMC against state-of-the-art classical MaxCut heuristics in terms of solution quality. By the end of the project, a thorough benchmarking is expected.

תכולת הפרויקט:

The students will:

• Understand and implement the QEMC algorithm on classical simulations
• Check the performance of the following algorithms: the Two-rank relaxation, simulated annealing, and coherence Ising machines
• Test all algorithms on the Stanford Gset (71 graphs with up to 20,000 nodes).
• Test all algorithms on the following graph families: k-regular, Erdős–Rényi, toroidal, planar, and random graphs.
• Summarize results in a meaningful way and draw conclusions about the competitiveness of the QEMC algorithm.

Remark: while the QEMC is a quantum algorithm, in this project we will only consider classical simulations.

קורסי קדם:

• Quantum computing
• Quantum machine learning

דרישות נוספות:

Any knowledge on optimization methods will be a plus.

מקורות:

https://arxiv.org/abs/2308.10383

הרקע לפרויקט:

גילוי טרויאנים בחמרה משקף בעיה מורכבת. בפרט, כאשר עושים שימוש בכלים לא פולשניים למערכת\ לשבבים. בפרויקט זה נעשה שימוש במערכת לייזר המסוגלת לסרוק את המערכת האלקטרונית בצורה לא פולשנית. נפעיל את מערכת הלייזר במודולציה מיוחדת המאפשרת גילוי טרויאנים, נתחיל במקרה פשוט של זיהוי רכיבים לא רצויים כמו אנטנות עם פוטנציאל לשידור מהרכיב. בנוסף, נעשה שימוש במודולציית לייזר המיוחדת לחלץ אינפורמציה מהרכיבים, בפרט תוכן של זיכרונות השומרים את התכנה או מידע רגיש כמו מפתחות הצפנה.

מטרת הפרויקט:

ניתוח עמוק - מה ההמגבלות מה ניתן לזהות ובאילו תרחישים או תחומים, תחת שיטות עירור שונות.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים יקראו וילמדו ספרות קודמת. יסקרו את התוצאות של פרויקט קודם שעשה התקדמות משמעותית לקראת הפרויקט הנוכחי. הסטודנטים ילמדו איך להפעיל את מערכת הלייזר האוטומטית, איך לעבוד עם ספריות הפייטון המפעילות את הרכיבים האלקטרוניים את הלייזר, את מנועי הסריקה ותכנות הרכיבים תחת בדיקה. לאחר מכן נעבור ליישום בו נבנה ניסויים לבחון את שאלות המחקר, ביצוע מדידות ואנליזה.

קורסי קדם:

קורסי בסיס באלקטרואופטיקה

דרישות נוספות:

ידע קודם בסיסי בתכנות באופן כללי ובאופן פרטי יכולות הבנה ושימוש בפייטון הכרחיים.

הפרויקט משלב יכולות טכניות גבוהות, הבנת מערכת וממשקים הכוללים תקשורת ויכולות אנליטיות גבוהות להבין את שאלות המחקר ולבצע ניתוח על הנתונים והמדידות המתקבלות.


יכולת הבנה של מערכת מורכבת בזמן קצר.
נכונות להיקף עבודה משמעותי.

מקורות:

מקורות נוספים ויותר ספציפיים יינתנו למועמדים רלוונטיים. תיעוד ודוקומנטציה של המערכות וההפעלה גם כן. כמו כן נכונות לחפיפה בקיץ ע"י מפעילי המערכת נדרשת.

1. Krachenfels, Thilo, et al. "Images from on-chip memories captured using the laser-assisted side-channel techniques LLSI and TLS." (2021).
2. Krachenfels, Thilo, et al. "Real-world snapshots vs. theory: Questioning the t-probing security model." 2021 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP). IEEE, 2021.