Ingineria cuantică

Ingineria cuantică este dezvoltarea tehnologiei care valorifică legile mecanicii cuantice. Acest tip de inginerie folosește mecanica cuantică pentru a dezvolta tehnologii precum senzorii cuantici și computerele cuantice.

Istoric

Din 2010 încoace, mai multe guverne au stabilit programe pentru explorarea tehnologiilor cuantice,[1] cum ar fi Programul Național pentru Tehnologii Cuantice din Marea Britanie,[2] care a creat patru „hub-uri” cuantice. Aceste hub-uri se găsesc la Centrul pentru Tehnologii Cuantice din Singapore și la QuTech, un centru olandez pentru dezvoltarea unui computer cuantic topologic.[3] În 2016, Uniunea Europeană a introdus Quantum Technology Flagship,[4][5] un megaproiect de 1 miliard de euro, cu o durată de 10 ani, similar ca dimensiuni cu proiectele emblematice europene anterioare Future and Emerging Technologies.[6][7] În decembrie 2018, Statele Unite au adoptat Legea Inițiativei Naționale Cuantice, care prevede un buget anual de 1 miliard de dolari americani pentru cercetarea cuantică.[8] China construiește cea mai mare unitate de cercetare cuantică din lume, cu o investiție planificată de 76 de miliarde de yuani (aproximativ 10 miliarde de euro).[9][10] Guvernul indian a investit, de asemenea, 8.000 de crore de rupii (aproximativ 1,02 miliarde de dolari americani) pe parcursul a 5 ani pentru a stimula tehnologiile cuantice în cadrul Misiunii sale Naționale Cuantice.[11]

În sectorul privat, marile companii au făcut multiple investiții în tehnologii cuantice. Organizații precum Google, D-wave systems și Universitatea din California, Santa Barbara[12] au format parteneriate și au investit pentru a dezvolta tehnologia cuantică.

Aplicații

Comunicații securizate

Comunicarea securizată cuantică este o metodă despre care se presupune că este „sigură din punct de vedere cuantic” în apariția sistemelor de calcul cuantic care utilizează algoritmul lui Shor pentru a sparge sistemele criptografice actuale. Acest lucru se realizează printr-o serie de tehnici, cum ar fi distribuția cheilor cuantice (QKD), utilizarea unui generator cuantic de numere aleatorii, codarea densă cuantică și teleportarea cuantică.[13] Distribuția cheilor cuantice (QKD) este o metodă de transmitere a informațiilor folosind lumina inseparată într-un mod care face ca orice interceptare a transmisiei să fie evidentă pentru utilizator. Se poate utiliza un generator cuantic de numere aleatorii, care este capabil să producă numere cu adevărat aleatorii, spre deosebire de algoritmii non-cuantici care imită aleatoriul.[14] Se poate utiliza și o tehnică numită codare densă cuantică, în care se utilizează un qubit în locul a doi biți clasici de calculator. Aceasta îmbunătățește capacitatea canalului prin inseparabilitate. Este important de reținut că un qubit nu poate fi copiat.[13] Calculul cuantic folosește o unitate de bază de informație numită qubit în locul unui bit clasic de calculator. Qubiții sunt sisteme cuantice pe două niveluri care pot fi denotate ca având valoarea 1, 0 sau orice suprapunere a acestor stări.[15][16] Un qubit nu poate fi copiat din cauza efectului de observator, unde măsurarea proprietăților sistemului cuantic determină schimbarea sistemului. Teleportarea cuantică este o altă tehnică utilizată în care starea cuantică a unui qubit este teleportată la distanță lungă fără ca particula în sine să fie trimisă direct.[13]

Calcul

Se presupune că computerele cuantice au o serie de utilizări importante în domeniile calculului, cum ar fi optimizarea și învățarea automată. Sunt probabil cel mai bine cunoscuți pentru capacitatea lor așteptată de a implementa algoritmul lui Shor, care poate fi utilizat pentru a factoriza numere mari și este un proces important în securizarea transmisiilor de date. Acest lucru permite computerelor cuantice relativ mici să depășească potențial unele dintre cele mai mari supercomputere atunci când vine vorba de rezolvarea anumitor probleme matematice.[17]

Simulatoarele cuantice sunt tipuri de computere cuantice destinate să simuleze un sistem din lumea reală, cum ar fi un compus chimic.[18][19] Ideea simulatoarelor cuantice a fost publicată pentru prima dată în 1982 de Richard Feynman.[16] Simulatoarele cuantice sunt mai simplu de construit spre deosebire de computerele cuantice de uz general, deoarece nu este necesar controlul complet asupra fiecărei componente.[18] Simulatoarele cuantice actuale în curs de dezvoltare includ atomi ultrareci în rețele optice, ioni prinși, rețele de qubiți supraconductori și altele.[18]

Învățare automată

A fost propusă și învățarea automată cuantică. Două exemple în acest sens sunt clusterizarea cuantică, unde principiile cuantice ar putea fi utilizate pentru a grupa datele în clustere și autocodoare cuantice care ar putea comprima și ulterior reconstrui datele.[17] Senzori

Senzori

Detecția cuantică folosește anumite caracteristici cuantice pentru a genera măsurători foarte precise. De exemplu, utilizarea sistemelor cuantice precum atomii neutri și „ionii prinși” este utilizată ca senzori cuantici datorită capacității lor de a fi relativ ușor de manipulat și de a fi pusă în starea bine cunoscută. Senzorii cuantici utilizează o varietate de sisteme cuantice diferite pentru a extrage măsurătorile.[20] Se speră că senzorii cuantici vor avea o serie de aplicații într-o gamă largă de tehnologii, inclusiv sisteme de poziționare, tehnologia comunicațiilor, senzori de câmp electric și magnetic, gravimetrie.[21] Aceste tehnologii sunt utilizate într-o varietate de domenii diferite.

Senzorii cuantici sunt luați în considerare pentru utilizare în ingineria civilă și metrologie pentru a ajuta la determinarea condițiilor subterane necunoscute ale unei zone. Senzorii cuantici completează radarul care penetrează pământul, magnetometria, rezistivitatea electrică și măsurătorile acustice. Acest lucru se realizează prin efectuarea de măsurători folosind gravimetria cuantică.[22][23]

Senzorii cuantici sunt luați în considerare în domeniul medicinei pentru a detecta conductivitatea în artere și organe, activarea neuronilor, progresul chimioterapiei și izotopii din interiorul corpului. Acest lucru se realizează prin tehnici precum inseparabilitatea spinilor, utilizarea spinilor atomici ca senzori magnetici și lumina comprimată. Aceste tehnici oferă informații care pot fi utilizate pentru a diagnostica probleme cardiace, malnutriție, osteoporoză în stadiu incipient, boli de rinichi, precum și anumite tipuri de cancer.[24]

Programe educaționale

Ingineria cuantică evoluează ca o disciplină inginerească. De exemplu, ETH Zurich a inițiat un Master of Science în Inginerie Cuantică, o societate mixtă între departamentul de inginerie electrică (D-ITET) și departamentul de fizică (D-PHYS), EPFL oferă un program de master dedicat în Știință și Inginerie Cuantică, combinând cursuri de fizică și inginerie cuantică cu oportunități de cercetare, iar Universitatea din Waterloo a lansat programe integrate de inginerie postuniversitară în cadrul Institutului pentru Calcul Cuantic.[25][26]

În domeniul studiilor universitare de licență, unele instituții au început să ofere programe. Université de Sherbrooke oferă o licență în științe în informație cuantică,[27] Universitatea din Waterloo oferă o specializare cuantică în programul său de inginerie electrică, iar Universitatea din New South Wales oferă o licență în inginerie cuantică.[28] Universität des Saarlandes oferă o licență în științe în inginerie cuantică.[29] Un raport despre dezvoltarea acestei licențe a fost publicat în IEEE Transactions on Quantum Engineering.[30]

Referințe

1. Thew, Rob; Jennewein, Thomas; Sasaki, Masahide (2019). „Focus on quantum science and technology initiatives around the world”. Quantum Science and Technology. 5: 010201. doi:10.1088/2058-9565/ab5992.
2. Knight, Peter; Walmsley, Ian (2019). „UK national quantum technology programme”. Quantum Science and Technology. 4 (4): 040502. Bibcode:2019QS&T….4d0502K. doi:10.1088/2058-9565/ab4346. hdl:10044/1/75584.
3. ‘A little bit, better’ The Economist, 18th June 2015
4. Riedel, Max F.; Binosi, Daniele; Thew, Rob; Calarco, Tommaso (2017). „The European quantum technologies flagship programme”. Quantum Science and Technology. 2 (3): 030501. Bibcode:2017QS&T….2c0501R. doi:10.1088/2058-9565/aa6aca.
5. Riedel, Max; Kovacs, Matyas; Zoller, Peter; Mlynek, Jürgen; Calarco, Tommaso (2019). „Europe’s Quantum Flagship initiative”. Quantum Science and Technology. 4 (2): 020501. Bibcode:2019QS&T….4b0501R. doi:10.1088/2058-9565/ab042d.
6. „Europe Will Spend €1 Billion to Turn Quantum Physics into Quantum Technology – IEEE Spectrum”.
7. Gibney, Elizabeth (2016). „Europe plans giant billion-euro quantum technologies project”. Nature. 532 (7600): 426. Bibcode:2016Natur.532..426G. doi:10.1038/nature.2016.19796. PMID 27121819.
8. Raymer, Michael G.; Monroe, Christopher (2019). „The US National Quantum Initiative”. Quantum Science and Technology. 4 (2): 020504. Bibcode:2019QS&T….4b0504R. doi:10.1088/2058-9565/ab0441.
9. „China building world’s biggest quantum research facility”. September 11, 2017. Retrieved 2018-05-17.
10. Zhang, Qiang; Xu, Feihu; Li, Li; Liu, Nai-Le; Pan, Jian-Wei (2019). „Quantum information research in China”. Quantum Science and Technology. 4 (4): 040503. Bibcode:2019QS&T….4d0503Z. doi:10.1088/2058-9565/ab4bea.
11. Padma, T. V. (2020-02-03). „India bets big on quantum technology”. Nature. doi:10.1038/d41586-020-00288-x. PMID 33526896. S2CID 212809353.
12. The man who will build Google’s elusive quantum computer; Wired, 09.05.14
13. Li, Tao; Gao, Zikai; Li, Zhenhua (2020-10-13). „Measurement-device–independent quantum secure direct communication: Direct quantum communication with imperfect measurement device and untrusted operator”. EPL (Europhysics Letters). 131 (6) 60001. Bibcode:2020EL….13160001L. doi:10.1209/0295-5075/131/60001. ISSN 1286-4854.
14. Love, Dylan (July 31, 2017). „‘Quantum’ technology is the future, and it’s already here — here’s what that means for you”. Business Insider. Retrieved 2019-11-12.
15. Singh, Amoldeep; Dev, Kapal; Siljak, Harun; Joshi, Hem Dutt; Magarini, Maurizio (September 3, 2021). „Quantum Internet—Applications, Functionalities, Enabling Technologies, Challenges, and Research Directions”. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 23 (4): 2218–2247. arXiv:2101.04427. doi:10.1109/COMST.2021.3109944. ISSN 1553-877X.
16. Bauer, Bela; Bravyi, Sergey; Motta, Mario; Chan, Garnet Kin-Lic (2020-10-22). „Quantum Algorithms for Quantum Chemistry and Quantum Materials Science”. Chemical Reviews. 120 (22): 12685–12717. arXiv:2001.03685. doi:10.1021/acs.chemrev.9b00829. ISSN 0009-2665. PMID 33090772.
17. Martín-Guerrero, José D.; Lamata, Lucas (January 2022). „Quantum Machine Learning: A tutorial”. Neurocomputing. 470: 457–461. doi:10.1016/j.neucom.2021.02.102.
18. „Quantum Technologies in a nutshell”. Quantum Technology. Retrieved 2022-11-27.
19. Johnson, Tomi H.; Clark, Stephen R.; Jaksch, Dieter (December 2014). „What is a quantum simulator?”. EPJ Quantum Technology. 1 (1): 10. arXiv:1405.2831. Bibcode:2014EPJQT…1…10J. doi:10.1140/epjqt10. ISSN 2196-0763.
20. Degen, C. L.; Reinhard, F.; Cappellaro, P. (2017-07-25). „Quantum sensing”. Reviews of Modern Physics. 89 (3) 035002. arXiv:1611.02427. Bibcode:2017RvMP…89c5002D. doi:10.1103/RevModPhys.89.035002. S2CID 2555443.
21. Rademacher, Markus; Millen, James; Li, Ying Lia (2020-10-01). „Quantum sensing with nanoparticles for gravimetry: when bigger is better”. Advanced Optical Technologies. 9 (5): 227–239. arXiv:2005.14642. Bibcode:2020AdOT….9..227R. doi:10.1515/aot-2020-0019. ISSN 2192-8584. S2CID 219124060.
22. Stray, Ben; Lamb, Andrew; Kaushik, Aisha; Vovrosh, Jamie; Rodgers, Anthony; Winch, Jonathan; Hayati, Farzad; Boddice, Daniel; Stabrawa, Artur; Niggebaum, Alexander; Langlois, Mehdi; Lien, Yu-Hung; Lellouch, Samuel; Roshanmanesh, Sanaz; Ridley, Kevin; de Villiers, Geoffrey; Brown, Gareth; Cross, Trevor; Tuckwell, George; Faramarzi, Asaad; Metje, Nicole; Bongs, Kai; Holynski, Michael (2020). „Quantum sensing for gravity cartography”. Nature. 602 (7898): 590–594. Bibcode:2022Natur.602..590S. doi:10.1038/s41586-021-04315-3. PMC 8866129. PMID 35197616.
23. Liu, Jinyi; Zhang, Weiping; Cheng, Shuming (January 2025). „Quantum metrology and its applications in civil engineering”. Measurement. 240 115550. Bibcode:2025Meas..24015550L. doi:10.1016/j.measurement.2024.115550.
24. Feder, Toni (2024-05-01). „New center for quantum sensing focuses on medical applications”. Physics Today. 77 (5): 24–26. Bibcode:2024PhT….77e..24F. doi:10.1063/pt.esph.sudu. ISSN 0031-9228.
25. „Programs | Institute for Quantum Computing”. uwaterloo.ca. Retrieved 2022-11-28.
26. „Master in Quantum Engineering”. master-qe.ethz.ch. Retrieved 2022-11-28.
27. „Baccalauréat en sciences de l’information quantique”. USherbrooke.
28. „Bachelor of Engineering (Honours) (Quantum Engineering)”. UNSW Sydney.
29. Saarlandes, Universität des. „Quantum Engineering (B.Sc.)”. www.uni-saarland.de (in German). Retrieved 2025-12-23.
30. Dzurak, Andrew; Epps, Julien; Laucht, Arne; Malaney, Robert; Morello, Andrea; Nurdin, Hendra; Pla, Jarryd; Saraiva, Andre; Yang, Chih Hwan (2022). „Development of an Undergraduate Quantum Engineering Degree”. IEEE Transactions on Quantum Engineering. 3: 1–10. arXiv:2110.12598. Bibcode:2022ITQE….3E7338D. doi:10.1109/TQE.2022.3157338.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)