فناوری کوانتوم چگونه آینده را تغییر می دهد

شاید تاکنون نام فناوری کوانتومی را نشنیده باشید، اما فناوری کوانتومی نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کند که قصد داریم در این مقاله به آن‌ بپردازیم. در ابتدا باید بدانیم فناوری کوانتومی چیست.

لپ کلام فناوری کوانتوم

🧪 فناوری‌های کوانتومی از اصول فیزیک کوانتومی برای ارائه قابلیت‌های جدید در محاسبات، ارتباطات و سنجش استفاده می‌کنند.
🌌 پدیده‌های کوانتومی منجر به فناوری‌هایی شده است که می‌تواند برای کسب‌وکارها و امنیت ملی مفید باشد، اما خطراتی را برای رمزگذاری و امنیت ایجاد می‌کند.
🚀 تحقیقات کوانتومی دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌ها و شرکت‌ها را در سطح جهانی با تمرکز بر رایانه‌های کوانتومی، حسگرها، دستگاه‌های ارتباطی و نرم‌افزارهای منحصربه‌فرد در بر می‌گیرد.
💻 محاسبات کوانتومی از کیوبیت هایی استفاده می کند که می توانند چندین مقدار را به طور همزمان نمایش دهند و محاسبات فوق سریع را ممکن می سازند.
🔐 پتانسیل محاسبات کوانتومی شامل بهبود تجزیه و تحلیل داده ها، شکستن رمزگذاری امن، شبیه سازی و تشخیص تهدید است.
🌐 Quantum-as-a-service امکان دسترسی از راه دور به کامپیوترهای کوانتومی را فراهم می کند و بدون نیاز به نصب فیزیکی به محققان کمک می کند.
🔒 تاثیر کوانتوم بر رمزنگاری شامل شکستن رمزگذاری است که نیاز به الگوریتم‌های رمزنگاری پس کوانتومی (PQC) را ایجاد می‌کند.
📡 ارتباطات کوانتومی با استفاده از توزیع کلید کوانتومی (QKD) و شناسایی تلاش‌های شنود، امنیت را افزایش می‌دهد.
🔬 سنجش کوانتومی اندازه گیری های دقیقی را برای تحقیقات پزشکی، نظارت بر محیط زیست، ناوبری و دفاع ارائه می دهد.
🛰️ برنامه ماهواره‌ای Micius چین ارتباطات کوانتومی، افزایش امنیت و انتقال از راه دور را هدف قرار می‌دهد.
🔍 سنجش کوانتومی در هوش، نظارت، تشخیص پنهان کاری، تحقیقات زیست پزشکی و تشخیص پزشکی کاربرد دارد.
⏳ استقرار فناوری کوانتومی متفاوت است: نسخه قوی محاسبات بیش از یک دهه باقی مانده است، در حالی که برخی از برنامه های سنجش از قبل در دسترس هستند.
🌍 تحقیقات کوانتومی جهانی است و کشورهای متعددی در برنامه های کوانتومی سرمایه گذاری می کنند، تحقیق، توسعه و نوآوری را ترویج می کنند.
🌐 تلاش های مشترک با متحدان و شرکا برای پیشرفت فناوری کوانتومی و تعیین خط مشی ها و استانداردها ضروری است.
🗳️ توصیه هایی برای سیاست کوانتومی شامل افزایش پشتیبانی تحقیقاتی، همکاری های تکنولوژیکی، انتقال به PQC و توسعه استانداردها و مقررات است.
💡 فناوری‌های کوانتومی فرصت‌های گسترده‌ای در تحقیقات، تجارت و امنیت ارائه می‌دهند، اما برای توسعه مسئولانه به سیاست‌های مناسب نیاز است.

پیشنهاد می کنم مقاله : فناوری چیست؟ و انواع فناوری مطالعه بفرمایید

فناوری کوانتومی چیست؟

فناوری کوانتومی نوعی از فناوری است که با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی (فیزیک ذرات زیر اتمی) از جمله درهم تنیدگی کوانتومی و برهم نهی کوانتومی، کار می‌کند.

چنین تعریفی ممکن است برایتان بسیار سخت به نظر برسد، اما حقیقت این است که برای استفاده از آن، نیازی به دانستن دقیق فناوری کوانتومی ندارید. گوشی هوشمند شما نوعی فناوری کوانتومی است. اما نه شما و نه مهندس طراح آن نیازی به دانستن نکات مکانیک کوانتومی ندارید. در حقیقت فیزیک کوانتومی “مطالعه ماده و انرژی در اساسی ترین سطح” است. فن‌آوری‌های کوانتومی از ویژگی‌های شناسایی شده توسط فیزیک کوانتومی برای ارائه قابلیت‌های جدید در محاسبات، ارتباطات و سنجش بهره می‌برند.

در حالی که پدیده‌های کوانتومی برای دهه‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، فناوری‌های مهم مبتنی بر آن پدیده‌ها به تازگی ظاهر شده‌اند. برخی از این فناوری‌ها مزایای قابل توجهی را برای تجارت و امنیت ملی ارائه می‌دهند.

تاریخچه فناوری کوانتومی

حوزه فناوری کوانتومی برای اولین بار در کتابی در سال 1997 توسط جرارد جی میلبرن نوشته شد، و سپس مقاله ای در سال 2003 توسط جاناتان پی داولینگ و جرارد جی میلبرن و همچنین مقاله ای در سال 2003 توسط دیوید دویچ دنبال شد. بسیاری از دستگاه‌های موجود در حال حاضر اساساً به تأثیرات مکانیک کوانتومی وابسته هستند. این‌ها شامل سیستم‌های لیزری، ترانزیستورها و دستگاه‌های نیمه هادی و همچنین دستگاه‌های دیگری مانند تصویربرداری‌های MRI می‌شود.

تحقیقات کوانتومی 

تحقیقات کوانتومی توسط دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌های دولتی و شرکت‌ها در بیش از دوازده کشور انجام می‌شود. زیرساخت تحقیق و خدمات شامل رایانه‌های کوانتومی و تراشه‌های تخصصی مورد استفاده آن‌ها، انواع جدید حسگرها، دستگاه‌های ارتباطی کوانتومی و نرم‌افزار منحصربه‌فرد است، زیرا نرم‌افزار مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی بسیار متفاوت از نرم‌افزارهای محاسباتی معمولی است. کوانتوم چیزی فراتر از محاسبات است، همچنین دارای کاربردهایی برای سنجش، رمزگذاری و ارتباطات است. تعداد شرکت‌های ارائه دهنده فناوری‌ها و خدمات کوانتومی به سرعت در حال افزایش است. 

4 نمونه مهم از فناوری کوانتومی

1. سیستم‌های ناوبری و زمان بندی قابل اطمینان تر
2. ارتباطات امن‌تر
3. تصویربرداری مراقبت‌های بهداشتی دقیق تر از طریق سنجش کوانتومی
4. محاسبات قوی تر

یک نمونه ملموس از فناوری کوانتومی

ناوبری کوانتومی

فناوری کوانتومی آسیب‌پذیری‌های سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی را از بین می‌برد. به این معنی که می‌تواند وسایل نقلیه را با دقت دقیق در هر محیطی مکان‌یابی و هدایت کند. حتی می‌تواند از حملات تصادفی و مخرب جلوگیری کند.

چگونه کسب‌وکارها می‌توانند روی فناوری کوانتومی سرمایه گذاری کنند؟

از سال 2015، دولت بریتانیا حدود 400 میلیون پوند برای توسعه تخصص کوانتومی این کشور سرمایه گذاری کرده است. بخش اعظم پول به چهار مرکز دانشگاهی خرج شده است و پیشرفت‌های هیجان‌انگیزی را به همراه داشته است، اما تاکنون بازدهی کمی در سرمایه‌گذاری حاصل شده است. به این دلیل که دانشگاه‌ها به سختی می‌توانند فناوری را به صنعت وارد کنند و نوآوری‌های خود را روی مشکلات دنیای واقعی اعمال کنند.
برای کشف چگونگی غلبه بر این موضوع، دولت اخیراً تحقیقی را درباره فرصت‌های فناوری کوانتومی آغاز کرده است. هدف این است که با انتقال سریع اکتشافات تحقیقاتی از آزمایشگاه به کاربردهای عملی، بریتانیا را به یک رهبر جهانی در این زمینه تبدیل کنیم.
بنابراین، کسب‌وکارهای آینده‌نگر برای سرمایه‌گذاری مؤثر در فناوری کوانتومی، باید به دنبال همکاری با مراکز دانشگاهی و شرکت‌های کسب‌وکار آشنا با این فناوری باشند. دانشگاه‌ها دارای ایده‌های نوآورانه مبتنی بر علم هستند وکسب‌وکارها مشکلات واقعی را دارند که چنین نبوغی می‌تواند آن‌ها را حل کنند. برای همسو کردن این دو حوزه تخصصی، باید ارزیابی‌های مشترکی از نحوه مقایسه فناوری کوانتومی جدید با جایگزین‌های سنتی وجود داشته باشد. این موضوع تنها در این صورت است که سازمان‌ها می‌توانند موارد تجاری قوی ایجاد کنند.
این رویکردی است که ما هنگام کار با یک شرکت جهانی برای توسعه یک سیستم ناوبری کوانتومی در پیش گرفتیم. ما از نزدیک با آن‌ها کار کردیم تا چالش‌ها و پیشرفت‌هایی که فناوری کوانتومی می‌تواند داشته باشد را بررسی کنیم، و برای سیستمی که اکنون در مراحل اولیه توسعه است، زمینه‌های تجاری ایجاد کنیم.

اصول فناوری کوانتومی

ممکن است برای بهره مندی از فناوری کوانتومی به درک دقیقی از فناوری کوانتومی نیاز نداشته باشید، اما اگر قصد دارید با دانشگاه‌ها برای سرمایه گذاری بر اکتشافات آن‌ها کار کنید، خوب است که درک اولیه‌ای از آنچه در مورد آن صحبت می‌کنند داشته باشید. بنابراین، در اینجا خلاصه‌ای از دو اصل کوانتومی وجود دارد که بزرگترین پیشرفت‌ها در فناوری کوانتومی را هدایت می‌کنند.

درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟

درهم تنیدگی کوانتومی زمانی است که دو اتم به هم متصل یا درهم تنیده شوند. اگر ویژگی‌های یکی از آن‌ها را تغییر دهید، دیگری فوراً تغییر می‌کند. در تئوری، حتی اگر کل جهان اتم‌های درهم تنیده را از هم جدا کند، این اتفاق می‌افتد. مکانیک کوانتومی می‌گوید مشاهده ساده یک اتم خواص آن را تغییر می‌دهد.
یکی از دلایلی که این امر ایجاد می‌کند، افزایش امنیت ارتباطات از طریق کلیدهای رمز محافظت شده کوانتومی است. می‌توانید از اتم‌های درهم‌تنیده برای تشخیص اینکه آیا کسی در انتقال داده‌ها دخالت کرده است یا خیر استفاده کنید.
به‌عنوان مثال، شما می توانید دو اتم درهم تنیده با “اسپین” (از خواص بنیادی ذرات زیراتمی است.) در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف جهت عقربه‌های ساعت داشته باشید. یک اتم با کلید رمزگذاری ارسال می‌شود و اگر یک استراق سمع انتقال را رهگیری کند،  باعث تغییر در “اسپین” اتم می‌شود که بر وضعیت کوانتومی کلی سیستم تأثیر می‌گذارد و در نتیجه تلاش برای استراق سمع شناسایی می‌شود.

برهم نهی کوانتومی چیست؟

کاربرد عملی این نسخه خارق العاده در کامپیوترهای کوانتومی آشکارتر است. در حالی که رایانه‌های دیجیتال داده‌ها را به صورت بیت (یک و صفرهای باینری) ذخیره می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که به صورت یک، صفر یا هر دو به طور همزمان وجود دارند. این حالت برهم نهی عملاً دامنه بی نهایتی از احتمالات را ایجاد می‌کند و امکان محاسبات همزمان و موازی فوق العاده سریع را فراهم می‌کند.

تأثیر کوانتوم بر رمزنگاری و ارتباطات

رمزنگاری فرآیند استفاده از فرمول‌های پیچیده ریاضی برای رمزگذاری داده‌ها و غیرقابل خواندن آن‌ها تا زمانی که رمزگشایی شوند، می‌باشد. رمزگذاری به طور گسترده در تجارت آنلاین، امور مالی و سیستم‌های امنیت ملی استفاده می‌شود. کامپیوترهای کوانتومی، با سرعت بسیار بیشتر خود، قادر خواهند بود محاسباتی را برای رمزگشایی سریع انجام دهند. آن‌ها همچنین توانایی حل معادلات پیچیده ریاضی را با سرعت بسیار بالاتری نسبت به رایانه‌های سنتی دارند.

ارتباطات کوانتومی

ارتباطات کوانتومی از خواص فیزیک کوانتومی برای ایجاد امنیت بهتر و بهبود ارتباطات از راه دور استفاده می‌کند. ارتباطات کوانتومی دو مزیت برای امنیت دارد. ابتدا، در ارتباطات دیجیتال مرسوم، پیام‌ها با استفاده از کلیدها رمزگذاری و رمزگشایی می‌شوند و به صورت بیت‌های کلاسیک (صفر یا یک) منتقل می‌شوند. توزیع کلید کوانتومی (QKD) امکان ایجاد کلیدهای رمزگذاری را فراهم می‌کند که با استفاده از کیوبیت‌ها رمزگذاری و ارسال می‌شوند و شکستن آن‌ها را دشوارتر می‌کند.

دوم اینکه کیوبیت‌ها فوق العاده حساس هستند. هر تلاشی برای ایجاد اختلال یا حتی مشاهده آن‌ها، کیوبیت‌ها را مجبور به فروپاشی می‌کند. این بدان معنی است که اگر یک ناظر خارجی سعی کند ارتباطاتی را که از QKD استفاده می‌کنند را رهگیری یا نظارت کند، فعالیت آن‌ها را گیرنده پیام متوجه می‌شود. بنابراین ارتباطات کوانتومی پتانسیل محافظت از داده‌های ارسالی را دارد.

استقرار گسترده فناوری ارتباطات کوانتومی سال‌ها باقی مانده است. QKD روی کابل‌های فیبر نوری، رادیو و… نشان داده شده است. با این حال، فیبر نوری می‌تواند QKD را تنها در فواصل کوتاه منتقل کند، و تظاهرات فضا به زمین بی نتیجه بوده است. هر رسانه قبل از اینکه بتواند از نظر تجاری قابل دوام باشد نیاز به توسعه فناوری‌های اضافی دارد.

چین در تلاش است تا ارتباطات کوانتومی را با استفاده از پروژه‌هایی مانند برنامه ماهواره‌ای Micius (که در ابتدا با همکاری یک دانشگاه اتریشی انجام شد) توسعه دهد. چین Micius را در سال 2016 پرتاب کرد و گزارش داد که اولین کنفرانس تلفنی رمزگذاری شده کوانتومی جهان را در سال 2017 به دست آورد. با این حال، نگرانی‌های امنیتی در مورد خود ماهواره وجود داشت. در سال 2020، محققان چینی اعلام کردند که این مشکلات را حل کرده‌اند و روش جدید آن‌ها امنیت QKD را به “سطحی بی‌سابقه” افزایش می‌دهد.

سنجش کوانتومی

سنجش کوانتومی امکان اندازه گیری بسیار دقیق را فراهم می‌کند. این فناوری می‌تواند اندازه‌گیری‌های با وضوح بالا و بسیار حساس را در سطح اتم‌های منفرد ثبت کند و دقت بسیار بهبود یافته‌ای را ارائه دهد. فناوری‌های سنجش کوانتومی طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله مراقبت‌های بهداشتی و تحقیقات پزشکی، نظارت بر محیط‌ زیست، ساخت‌وساز، انرژی، ناوبری و دفاع دارند. آن‌ها در برابر تداخل الکترومغناطیسی و پارازیت مقاوم هستند. اندازه‌گیری‌های حساس‌تر و دقیق‌تر آن‌ها قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به سنسورهای معمولی ارائه می‌کنند.

سنجش کوانتومی امکان ناوبری دقیق تر و ایمن را ارائه می‌دهد. سیستم‌های غیرنظامی، تجاری و نظامی حیاتی به GPS و داده‌های ناوبری و زمان‌بندی دقیق (PNT) که ارائه می‌کند متکی هستند. GPS اغلب تنها منبع داده‌های PNT برای بسیاری از سیستم‌های زیرساختی حیاتی (از جمله مالی و برق) است و آن‌ها را به اهداف بالقوه برای تداخل GPS تبدیل می‌کند. استفاده از سنجش کوانتومی می‌تواند این آسیب پذیری‌ها را از بین ببرد. سنجش کوانتومی همچنین امکان ناوبری با دقت بالا را بدون استفاده از GPS فراهم می‌کند. بر خلاف GPS، ناوبری کوانتومی به سیگنال خارجی بستگی ندارد و آن را در برابر پارازیت مقاوم می‌کند. حسگرهای کوانتومی می‌توانند میدان‌های گرانشی و مغناطیسی زمین را برای تشخیص تغییرات جزئی در حرکت و تکانه‌های الکترومغناطیسی اندازه‌گیری کنند. جاذبه‌سنج‌های حساس (ابزارهایی که میدان گرانشی زمین را اندازه‌گیری می‌کنند) و مغناطیس‌سنج‌ها می‌توانند ناهنجاری‌ها را اندازه‌گیری کرده و با داده‌های موجود مقایسه کنند و امکان ناوبری دقیق را بدون نیاز به ارتباطات ماهواره‌ای فراهم کنند.

تحقیقات زیست پزشکی فرصت‌های منحصر به فرد بیشتری را برای سنجش کوانتومی فراهم می‌کند. توانایی اندازه‌گیری میدان‌های الکترومغناطیسی مغز، قلب یا سایر اندام‌ها برای مطالعه تأثیر درمان‌های پزشکی می‌تواند به تولید داروی مؤثرتر و درمان‌های موثر برای برخی بیماری‌ها منجر شود. حسگرهای کوانتومی به محققان اجازه می‌دهند تا داده‌هایی را از میدان الکترومغناطیسی مغز بیمار به دست آورند که می‌تواند با مغز سالم مقایسه شود و آن‌ها را قادر می‌سازد تا تأثیر برخی داروها را بهتر درک کنند.

سنجش کوانتومی برای تصاویر تشخیصی پزشکی نیز کاربرد دارد. یک مثال این است که دستگاه‌های حسگر سنتی روی کودکان مؤثر نیستند زیرا اغلب بسیار بزرگ هستند و نیاز دارند که سوژه در طول اسکن ثابت بماند. با این حال، پیشرفت‌هایی در سنجش کوانتومی می‌تواند با توانایی تشخیص و بدون نیاز به ثابت ماندن فرد، بیماری و ضعف افراد را تشخیص دهد. برخی از دستگا‌های کوانتومی در حال حاضر در بیمارستان‌ها مستقر شده اند.

مطالعه مقاله : ۱۵فناوری برتر حوزه پزشکی در سال ۲۰۲۳

دانشگاه‌هایی که این رشته را ارائه می‌دهند.

• دانشگاه تهران
• دانشگاه فردوسی مشهد
• دانشگاه علم و فناوری چین

و…

سخن آخر

فناوری کوانتومی نقش مهمی در زندگی ما دارد. همین لحظه که در در حال خواندن این مقاله هستید، فناوری کوانتوم سبب شده که بتوانید این مطالب را روی صفحه نمایشگر خود ببینید.

فناوری کوانتوم در ابعاد گوناگون زندگی ما نقش دارد و همواره در حال پیشرفت می‌باشد.

سوالات متداول

فناوری کوانتومی چیست؟

فناوری کوانتومی نوعی از فناوری است که با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی (فیزیک ذرات زیر اتمی) از جمله درهم تنیدگی کوانتومی و برهم نهی کوانتومی، کار می‌کند.

4 نمونه مهم از فناوری کوانتومی

1. سیستم‌های ناوبری و زمان بندی قابل اطمینان تر
2. ارتباطات امن‌تر
3. تصویربرداری مراقبت‌های بهداشتی دقیق تر از طریق سنجش کوانتومی
4. محاسبات قوی تر

اصول فناوری کوانتومی

ممکن است برای بهره مندی از فناوری کوانتومی به درک دقیقی از فناوری کوانتومی نیاز نداشته باشید، اما اگر قصد دارید با دانشگاه‌ها برای سرمایه گذاری بر اکتشافات آن‌ها کار کنید، خوب است که درک اولیه‌ای از آنچه در مورد آن صحبت می‌کنند داشته باشید.