stringtranslate.com

Квантовая инженерия

Коллоидные квантовые точки, облученные УФ-светом. Квантовые точки разного размера излучают свет разного цвета из-за квантового ограничения.

Квантовая инженерия — это разработка технологий, которые используют законы квантовой механики. Квантовая инженерия использует квантовую механику как инструментарий для разработки квантовых технологий, таких как квантовые датчики или квантовые компьютеры .

Многие устройства, которые используют люди, основаны на квантово-механических эффектах и ​​произвели революцию в обществе с помощью медицины, оптической связи, высокоскоростного интернета и высокопроизводительных вычислений, и это лишь несколько примеров. После технологических достижений, которые подарили нам лазеры , МРТ-визуализаторы и транзисторы , ожидается, что вторая волна квантовых технологий повлияет на общество аналогичным образом. Ожидается, что эти новые технологии будут использовать квантовую когерентность, опираясь на прогресс, достигнутый в прошлом веке в понимании и управлении атомными системами. Квантово-механические эффекты используются в качестве ресурса в новых технологиях с далеко идущими приложениями, включая квантовые датчики [1] [2] и новые методы визуализации, [3] защищенную связь ( квантовый интернет ) [4] [5] [6] и квантовые вычисления. [7] [8] [9] [10] [11]

История

Область квантовых технологий была исследована в книге Джерарда Дж. Милберна 1997 года . [12] Затем последовала статья Милберна и Джонатана П. Доулинга 2003 года , [13] и отдельная публикация Дэвида Дойча в том же году. [14]

Применение квантовой механики было очевидно в нескольких технологиях. К ним относятся лазерные системы, транзисторы и полупроводниковые приборы, а также другие устройства, такие как томографы МРТ . Лаборатория оборонной науки и технологий Великобритании (DSTL) сгруппировала эти устройства как «квантовые 1.0», чтобы отличить их от того, что она окрестила «квантовыми 2.0». Это определение класса устройств, которые активно создают, манипулируют и считывают квантовые состояния материи, используя эффекты суперпозиции и запутанности. [15]

Начиная с 2010 года, несколько правительств создали программы по исследованию квантовых технологий, [16] такие как Национальная программа квантовых технологий Великобритании, [17] которая создала четыре квантовых «хаба». Эти хабы находятся в Центре квантовых технологий в Сингапуре и QuTech, голландском центре по разработке топологического квантового компьютера. [18] В 2016 году Европейский союз представил Quantum Technology Flagship, [19] [20] 10-летний мегапроект стоимостью 1 млрд евро , аналогичный по размеру более ранним проектам European Future and Emerging Technologies Flagship. [21] [22] В декабре 2018 года Соединенные Штаты приняли Закон о национальной квантовой инициативе , который предусматривает годовой бюджет в размере 1 млрд долларов США на квантовые исследования. [23] Китай строит крупнейший в мире квантовый исследовательский центр с запланированными инвестициями в размере 76 млрд юаней (около 10 млрд евро). [24] [25] Правительство Индии также инвестировало 8000 крор рупий (примерно 1,02 млрд долларов США) в течение 5 лет в развитие квантовых технологий в рамках своей Национальной квантовой миссии. [26]

В частном секторе крупные компании сделали многочисленные инвестиции в квантовые технологии. Такие организации, как Google , D-wave systems и Калифорнийский университет в Санта-Барбаре [27] сформировали партнерства и инвестиции для разработки квантовых технологий.

Приложения

Безопасная связь

Квантовая безопасная связь — это метод, который, как ожидается, будет «квантово-безопасным» в случае появления квантовых вычислительных систем, которые могут взломать текущие системы криптографии с использованием таких методов, как алгоритм Шора . Эти методы включают квантовое распределение ключей (QKD) , метод передачи информации с использованием запутанного света таким образом, что любой перехват передачи становится очевидным для пользователя. Другим методом является квантовый генератор случайных чисел, который способен выдавать действительно случайные числа в отличие от неквантовых алгоритмов, которые просто имитируют случайность. [28]

Вычислительная техника

Ожидается, что квантовые компьютеры будут иметь ряд важных применений в таких областях вычислений, как оптимизация и машинное обучение. Они, пожалуй, наиболее известны своей ожидаемой способностью выполнять алгоритм Шора, который может быть использован для факторизации больших чисел и является важным процессом в обеспечении безопасности передачи данных.

Квантовые симуляторы — это типы квантовых компьютеров, предназначенных для моделирования систем реального мира, таких как химические соединения. [29] [30] Квантовые симуляторы проще в создании, чем квантовые компьютеры общего назначения, поскольку полный контроль над каждым компонентом не требуется. [29] Текущие квантовые симуляторы, находящиеся в стадии разработки, включают ультрахолодные атомы в оптических решетках, захваченные ионы, массивы сверхпроводящих кубитов и другие. [29]

Датчики

Ожидается, что квантовые датчики найдут применение в самых разных областях, включая системы позиционирования, коммуникационные технологии, датчики электрического и магнитного поля, гравиметрию [31], а также геофизические области исследований, такие как гражданское строительство [32] и сейсмология.

Образовательные программы

Квантовая инженерия развивается в свою собственную инженерную дисциплину. Квантовая индустрия требует рабочей силы, владеющей квантовой грамотой, недостающего ресурса в данный момент. В настоящее время ученые в области квантовых технологий в основном имеют либо физическое, либо инженерное образование и приобрели свои «навыки квантовой инженерии» на собственном опыте. Опрос более двадцати компаний был направлен на то, чтобы понять научные, технические и «мягкие» навыки, необходимые новым сотрудникам в квантовой индустрии. Результаты показывают, что компании часто ищут людей, которые знакомы с квантовыми технологиями и одновременно обладают отличными практическими лабораторными навыками. [33]

Несколько технических университетов запустили образовательные программы в этой области. Например, ETH Zurich инициировала программу магистра наук в области квантовой инженерии, совместное предприятие между кафедрой электротехники (D-ITET) и кафедрой физики (D-PHYS), а Университет Ватерлоо запустил интегрированные программы аспирантуры в области инженерии в Институте квантовых вычислений . [34] [35] Аналогичные программы реализуются в Делфтском университете , Техническом университете Мюнхена , Массачусетском технологическом институте , CentraleSupélec и других технических университетах.

В сфере бакалавриата возможности для специализации скудны. Тем не менее, некоторые учреждения начали предлагать программы. Университет Шербрука предлагает степень бакалавра наук в области квантовой информации, [36] Университет Ватерлоо предлагает квантовую специализацию в своей программе по электротехнике, а Университет Нового Южного Уэльса предлагает степень бакалавра квантовой инженерии. [37]

Студенты обучаются обработке сигналов и информации, оптоэлектронике и фотонике, интегральным схемам (биполярным, КМОП ) и архитектурам электронного оборудования ( VLSI , FPGA , ASIC ). Кроме того, они знакомятся с новыми приложениями, такими как квантовое зондирование, квантовая связь и криптография, а также квантовая обработка информации. Они изучают принципы квантового моделирования и квантовых вычислений и знакомятся с различными платформами квантовой обработки, такими как захваченные ионы и сверхпроводящие схемы . Практические лабораторные проекты помогают студентам развивать технические навыки, необходимые для практической реализации квантовых устройств, закрепляя их образование в области квантовой науки и технологий.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Деген, CL; Рейнхард, Ф.; Каппелларо, П. (2017-07-25). «Квантовое зондирование». Reviews of Modern Physics . 89 (3): 035002. arXiv : 1611.02427 . Bibcode : 2017RvMP...89c5002D. doi : 10.1103/RevModPhys.89.035002. S2CID  2555443.
  2. ^ Boss, JM; Cujia, KS; Zopes, J.; Degen, CL (2017-05-26). «Квантовое зондирование с произвольным частотным разрешением». Science . 356 (6340): 837–840. arXiv : 1706.01754 . Bibcode :2017Sci...356..837B. doi :10.1126/science.aam7009. ISSN  0036-8075. PMID  28546209. S2CID  33700486.
  3. ^ Moreau, Paul-Antoine; Toninelli, Ermes; Gregory, Thomas; Padgett, Miles J. (2019). «Визуализация с помощью квантовых состояний света». Nature Reviews Physics . 1 (6): 367–380. arXiv : 1908.03034 . Bibcode : 2019NatRP...1..367M. doi : 10.1038/s42254-019-0056-0. ISSN  2522-5820. S2CID  189928693.
  4. ^ Ляо, Шэн-Кай; Цай, Вэнь-Ци; Лю, Вэй-Юэ; Чжан, Лян; Ли, Ян; Рен, Джи-Ганг; Инь, Хуан; Шен, Ци; Цао, Юань; Ли, Чжэн-Пин; Ли, Фэн-Чжи (2017). «Распределение квантовых ключей от спутника к Земле». Природа . 549 (7670): 43–47. arXiv : 1707.00542 . Бибкод : 2017Natur.549...43L. дои : 10.1038/nature23655. ISSN  1476-4687. PMID  28825707. S2CID  205259539.
  5. ^ Инь, Хуан; Ли, Ю-Хуай; Ляо, Шэн-Кай; Ян, Мэн; Цао, Юань; Чжан, Лян; Рен, Джи-Ганг; Цай, Вэнь-Ци; Лю, Вэй-Юэ; Ли, Шуан-Линь; Шу, Ронг (2020). «Безопасная квантовая криптография на основе запутанности на расстоянии более 1120 километров». Природа . 582 (7813): 501–505. Бибкод : 2020Natur.582..501Y. дои : 10.1038/s41586-020-2401-y. ISSN  1476-4687. PMID  32541968. S2CID  219692094.
  6. ^ Чен, Ю-Ао; Чжан, Цян; Чен, Дэн-Юнь; Цай, Вэнь-Ци; Ляо, Шэн-Кай; Чжан, Цзюнь; Чен, Кай; Инь, Хуан; Рен, Джи-Ганг; Чен, Чжу; Хан, Шэн-Лонг (2021). «Интегрированная сеть квантовой связи космос-земля на расстоянии более 4600 километров». Природа . 589 (7841): 214–219. Бибкод : 2021Natur.589..214C. дои : 10.1038/s41586-020-03093-8. ISSN  1476-4687. PMID  33408416. S2CID  230812317.
  7. ^ Ladd, TD; Jelezko, F.; Laflamme, R.; Nakamura, Y.; Monroe, C.; O'Brien, JL (2010). «Квантовые компьютеры». Nature . 464 (7285): 45–53. arXiv : 1009.2267 . Bibcode :2010Natur.464...45L. doi :10.1038/nature08812. ISSN  1476-4687. PMID  20203602. S2CID  4367912.
  8. ^ Аруте, Фрэнк; Арья, Кунал; Баббуш, Райан; Бэкон, Дэйв; Бардин, Джозеф К.; Барендс, Рами; Бисвас, Рупак; Бойшо, Серхио; Брандао, Фернандо GSL; Бьюэлл, Дэвид А.; Беркетт, Брайан (2019). «Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора». Nature . 574 (7779): 505–510. arXiv : 1910.11333 . Bibcode :2019Natur.574..505A. doi :10.1038/s41586-019-1666-5. ISSN  1476-4687. PMID  31645734. S2CID  204836822.
  9. ^ Георгеску, Юлия (2020). «Квантовым вычислениям на захваченных ионах исполняется 25 лет». Nature Reviews Physics . 2 (6): 278. Bibcode : 2020NatRP...2..278G. doi : 10.1038/s42254-020-0189-1 . ISSN  2522-5820. S2CID  219505038.
  10. ^ MacQuarrie, Evan R.; Simon, Christoph; Simmons, Stephanie; Maine, Elicia (2020). «Развивающийся коммерческий ландшафт квантовых вычислений». Nature Reviews Physics . 2 (11): 596–598. arXiv : 2202.12733 . Bibcode : 2020NatRP...2..596M. doi : 10.1038/s42254-020-00247-5. ISSN  2522-5820. S2CID  225134962.
  11. ^ Чжун, Хан-Сен; Ван, Хуэй; Дэн, Ю-Хао; Чен, Мин-Ченг; Пэн, Ли-Чао; Ло, И-Хан; Цинь, Цзянь; Ву, Диан; Дин, Син; Ху, Йи; Ху, Пэн (2020). «Преимущество квантовых вычислений с использованием фотонов». Наука . 370 (6523): 1460–1463. arXiv : 2012.01625 . Бибкод : 2020Sci...370.1460Z. doi : 10.1126/science.abe8770. ISSN  0036-8075. PMID  33273064. S2CID  227254333.
  12. ↑ Schrödinger's Machines, GJMilburn, WH Freeman & Co. (1997) Архивировано 30 августа 2007 г. на Wayback Machine
  13. ^ Доулинг, Дж. П.; Милберн, Г. Дж. (2003). «Квантовая технология: вторая квантовая революция». Phil. Trans. R. Soc. A. 361 ( 1809): 1655–1674. arXiv : quant-ph/0206091 . Bibcode : 2003RSPTA.361.1655D. doi : 10.1098/rsta.2003.1227. PMID  12952679.
  14. ^ «Физика, философия и квантовая технология», Д.Дойч в Трудах Шестой международной конференции по квантовой коммуникации, измерению и вычислениям, Шапиро, Дж. Х. и Хирота, О., ред. (Rinton Press, Принстон, Нью-Джерси, 2003)
  15. ^ Дж. Притчард и С. Тилл. «Ландшафт квантовых технологий в Великобритании в 2014 году»
  16. ^ Thew, Rob; Jennewein, Thomas; Sasaki, Masahide (2019). «Сосредоточьтесь на инициативах в области квантовой науки и технологий по всему миру». Квантовая наука и технологии . 5 : 010201. doi :10.1088/2058-9565/ab5992.
  17. ^ Найт, Питер; Уолмсли, Ян (2019). "Национальная программа Великобритании по квантовым технологиям". Квантовая наука и технологии . 4 (4): 040502. Bibcode : 2019QS&T....4d0502K. doi : 10.1088/2058-9565/ab4346 . hdl : 10044/1/75584 .
  18. ^ «Немного лучше» The Economist, 18 июня 2015 г.
  19. ^ Ридель, Макс Ф.; Биноси, Даниэль; Тью, Роб; Каларко, Томмазо (2017). «Флагманская программа европейских квантовых технологий». Квантовая наука и технологии . 2 (3): 030501. Bibcode : 2017QS&T....2c0501R. doi : 10.1088/2058-9565/aa6aca .
  20. ^ Ридель, Макс; Ковач, Матьяс; Цоллер, Петер; Млынек, Юрген; Каларко, Томмазо (2019). «Европейская флагманская инициатива в области квантовых технологий». Квантовая наука и технологии . 4 (2): 020501. Bibcode : 2019QS&T....4b0501R. doi : 10.1088/2058-9565/ab042d .
  21. ^ «Европа потратит 1 миллиард евро на превращение квантовой физики в квантовую технологию — IEEE Spectrum».
  22. ^ Гибни, Элизабет (2016). «Европа планирует гигантский проект квантовых технологий стоимостью в миллиард евро». Nature . 532 (7600): 426. Bibcode :2016Natur.532..426G. doi :10.1038/nature.2016.19796. PMID  27121819.
  23. ^ Реймер, Майкл Г.; Монро, Кристофер (2019). «Национальная квантовая инициатива США». Квантовая наука и технологии . 4 (2): 020504. Bibcode : 2019QS&T....4b0504R. doi : 10.1088/2058-9565/ab0441 .
  24. ^ "Китай строит крупнейший в мире квантовый исследовательский центр". 11 сентября 2017 г. Получено 17 мая 2018 г.
  25. ^ Чжан, Цян; Сюй, Фейху; Ли, Ли; Лю, Най-Ле; Пан, Цзянь-Вэй (2019). «Квантовые информационные исследования в Китае». Квантовая наука и технология . 4 (4): 040503. Бибкод : 2019QS&T....4d0503Z. дои : 10.1088/2058-9565/ab4bea .
  26. ^ Padma, TV (2020-02-03). «Индия делает большие ставки на квантовые технологии». Nature . doi :10.1038/d41586-020-00288-x. PMID  33526896. S2CID  212809353.
  27. ↑ Человек, который построит неуловимый квантовый компьютер Google; Wired, 09.05.14
  28. ↑ С любовью, Дилан (31 июля 2017 г.). ««Квантовая» технология — это будущее, и она уже здесь — вот что это значит для вас». Business Insider . Получено 12 ноября 2019 г.
  29. ^ abc "Квантовые технологии в двух словах". Квантовые технологии . Получено 2022-11-27 .
  30. ^ Джонсон, Томи Х.; Кларк, Стивен Р.; Якш, Дитер (декабрь 2014 г.). «Что такое квантовый симулятор?». EPJ Quantum Technology . 1 (1): 10. arXiv : 1405.2831 . Bibcode : 2014EPJQT...1...10J. doi : 10.1140/epjqt10 . ISSN  2196-0763.
  31. ^ Радемахер, Маркус; Миллен, Джеймс; Ли, Ин Лиа (01.10.2020). «Квантовое зондирование с помощью наночастиц для гравиметрии: когда больше — лучше». 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.
  32. ^ 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). «Квантовое зондирование для гравитационной картографии». Nature . 602 (7898): 590–594. Bibcode :2022Natur.602..590S. doi : 10.1038/s41586-021-04315-3 . PMC 8866129. PMID  35197616 . 
  33. ^ Фокс, Майкл Ф.Дж.; Цвикль, Бенджамин М.; Левандовски, Х.Дж. (2020). «Подготовка к квантовой революции: какова роль высшего образования?». Physical Review Physics Education Research . 16 (2): 020131. arXiv : 2006.16444 . Bibcode : 2020PRPER..16b0131F. doi : 10.1103/PhysRevPhysEducRes.16.020131. ISSN  2469-9896. S2CID  220266091.
  34. ^ "Программы | Институт квантовых вычислений". uwaterloo.ca . Получено 28.11.2022 .
  35. ^ "Магистр квантовой инженерии". master-qe.ethz.ch . Получено 28.11.2022 .
  36. ^ "Баккалавриат в области количественной информации" . США Шербрук.
  37. ^ "Бакалавр инженерии (с отличием) (квантовая инженерия)". UNSW Сидней.