วิศวกรรมควอนตัม

วิศวกรรมควอนตัมคือการพัฒนาเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์จากกฎของกลศาสตร์ควอนตัมวิศวกรรม ประเภทนี้ ใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ เช่นเซ็นเซอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ตั้งแต่ปี 2010 เป็นต้นมา รัฐบาลหลายแห่งได้จัดตั้งโครงการเพื่อสำรวจเทคโนโลยีควอนตัม^{[ 1 ]}เช่น โครงการเทคโนโลยีควอนตัมแห่งชาติของสหราชอาณาจักร^{[ 2 ]}ซึ่งได้สร้าง 'ศูนย์กลาง' ควอนตัมขึ้น 4 แห่ง ศูนย์กลางเหล่านี้ตั้งอยู่ที่ศูนย์เทคโนโลยีควอนตัมในสิงคโปร์ และ QuTech ซึ่งเป็นศูนย์พัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีของเนเธอร์แลนด์^{[ 3 ]}ในปี 2016 สหภาพยุโรปได้ริเริ่มโครงการ Quantum Technology Flagship ^{[ 4 ] [ 5 ]} ซึ่ง เป็นโครงการขนาดใหญ่ มูลค่า 1 พันล้านยูโร ระยะเวลา 10 ปีมีขนาดใกล้เคียงกับโครงการ European Future and Emerging Technologies Flagship ก่อนหน้านี้ ^{[ 6 ] [ 7 ]}ในเดือนธันวาคม 2018 สหรัฐอเมริกาได้ผ่านกฎหมาย National Quantum Initiative Actซึ่งจัดสรรงบประมาณประจำปี 1 พันล้านดอลลาร์สหรัฐสำหรับการวิจัยควอนตัม^{[ 8 ]}จีนกำลังสร้างศูนย์วิจัยควอนตัมที่ใหญ่ที่สุดในโลกด้วยการลงทุนตามแผน 76 พันล้านหยวน (ประมาณ 10 พันล้านยูโร) ^{[ 9 ] [ 10 ]}รัฐบาลอินเดียยังได้ลงทุน 8,000 ล้านรูปี (ประมาณ 1.02 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ) ในระยะเวลา 5 ปี เพื่อส่งเสริมเทคโนโลยีควอนตัมภายใต้ภารกิจควอนตัมแห่งชาติ^{[ 11 ]}

ในภาคเอกชน บริษัทขนาดใหญ่ได้ลงทุนหลายครั้งในเทคโนโลยีควอนตัม องค์กรต่างๆ เช่นGoogle , D-wave systemsและมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา^{[ 12 ]}ได้ก่อตั้งความร่วมมือกัน

การสื่อสารที่ปลอดภัยในระดับควอนตัมเป็นวิธีการที่ตั้งสมมติฐานว่า "ปลอดภัยในระดับควอนตัม" ในการเกิดขึ้นของระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้อัลกอริทึมของ Shorเพื่อทำลาย ระบบ การเข้ารหัส ในปัจจุบัน ซึ่งทำได้โดยใช้เทคนิคหลายอย่าง เช่นการกระจายกุญแจควอนตัม (QKD)การใช้เครื่องกำเนิดเลขสุ่มควอนตัม การเข้ารหัสแบบหนาแน่นควอนตัม และการเทเลพอร์ตควอนตัม^{[ 13 ]}การกระจายกุญแจควอนตัม (QKD) เป็นวิธีการส่งข้อมูลโดยใช้แสงที่พันกันในลักษณะที่ทำให้การดักฟังการส่งข้อมูลนั้นชัดเจนต่อผู้ใช้ สามารถใช้เครื่องกำเนิดเลขสุ่มควอนตัมได้ ซึ่งสามารถสร้างเลขสุ่มที่แท้จริงได้ ต่างจากอัลกอริทึมที่ไม่ใช่ควอนตัมที่เลียนแบบความสุ่ม^{[ 14 ]}นอกจากนี้ยังสามารถใช้เทคนิคที่เรียกว่าการเข้ารหัสแบบหนาแน่นควอนตัมได้ โดยใช้คิวบิตหนึ่งตัวแทนบิตคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสองบิต ซึ่งจะเพิ่มความจุของช่องสัญญาณผ่านการพันกัน สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือคิวบิตไม่สามารถคัดลอกได้^{[ 13 ]}   การคำนวณควอนตัมใช้หน่วยข้อมูลพื้นฐานที่เรียกว่าคิวบิตแทนบิตของคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก คิวบิตเป็นระบบควอนตัมสองระดับที่สามารถแสดงได้ว่ามีค่าเป็น 1, 0 หรือสถานะซ้อนทับใดๆ ของสถานะเหล่านี้^{[ 15 ] [ 16 ]}คิวบิตไม่สามารถคัดลอกได้เนื่องจากปรากฏการณ์ผู้สังเกตการณ์ ซึ่งการวัดคุณสมบัติของระบบควอนตัมทำให้ระบบเปลี่ยนแปลง การเทเลพอร์ตควอนตัมเป็นอีกเทคนิคหนึ่งที่ใช้โดยที่สถานะควอนตัมของคิวบิตถูกส่งผ่านในระยะทางไกลโดยไม่ต้องส่งอนุภาคโดยตรง^{[ 13 ]}

มีการตั้งสมมติฐานว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประโยชน์อย่างมากในด้านต่างๆ เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพและการเรียนรู้ของเครื่อง พวกมันเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดในด้านความสามารถที่คาดว่าจะสามารถรันอัลกอริทึมของ Shor ซึ่งสามารถแยกตัวประกอบจำนวนขนาดใหญ่และเป็นพื้นฐานของการเข้ารหัสสมัยใหม่บางส่วนที่ใช้ในการรักษาความปลอดภัยการส่งข้อมูล ความสามารถนี้อาจทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กสามารถทำงานได้ดีกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่บางเครื่องในปัญหาทางคณิตศาสตร์บางอย่าง^{[ 17 ]}

เครื่องจำลองควอนตัมเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมประเภทหนึ่งที่ออกแบบมาเพื่อจำลองระบบในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น สารประกอบทางเคมี^{[ 18 ] [ 19 ]} แนวคิดเรื่องเครื่องจำลองควอนตัมได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1982 โดย Richard Feynman ^{[ 16 ]}เครื่องจำลองควอนตัมสร้างได้ง่ายกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทั่วไป เนื่องจากไม่จำเป็นต้องควบคุมทุกส่วนประกอบอย่างสมบูรณ์^{[ 18 ]}เครื่องจำลองควอนตัมที่กำลังพัฒนาในปัจจุบัน ได้แก่ อะตอมเย็นยิ่งยวดในโครงตาข่ายแสง ไอออนที่ถูกดักจับ อาร์เรย์ของคิวบิตตัวนำยิ่งยวด และอื่นๆ^{[ 18 ]}

มีการเสนอการเรียนรู้ของเครื่องควอนตัมด้วยเช่นกัน ตัวอย่างสองประการคือการจัดกลุ่มควอนตัม ซึ่งอาจใช้หลักการควอนตัมในการจัดกลุ่มข้อมูลเป็นกลุ่ม และตัวเข้ารหัสอัตโนมัติควอนตัมที่สามารถบีบอัดและสร้างข้อมูลขึ้นใหม่ได้ในภายหลัง^{[ 17 ]}

การตรวจวัดควอนตัมใช้คุณสมบัติควอนตัมบางอย่างเพื่อสร้างการวัดที่แม่นยำมาก ตัวอย่างเช่น การใช้ระบบควอนตัม เช่น อะตอมที่เป็นกลางและ "ไอออนที่ถูกดักจับ" ถูกนำมาใช้เป็นเซนเซอร์ควอนตัมเนื่องจากความสามารถในการจัดการและนำไปอยู่ในสถานะที่ทราบได้ค่อนข้างง่าย เซนเซอร์ควอนตัมใช้ระบบควอนตัมที่แตกต่างกันหลากหลายชนิดเพื่อดึงข้อมูลการวัด^{[ 20 ]}เซนเซอร์ควอนตัมคาดว่าจะมีการใช้งานมากมายในเทคโนโลยีที่หลากหลาย รวมถึงระบบระบุตำแหน่ง เทคโนโลยีการสื่อสาร เซนเซอร์สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก และการวัดแรงโน้มถ่วง^{[ 21 ]}

เซ็นเซอร์ควอนตัมกำลังได้รับการพิจารณาสำหรับการใช้งานในวิศวกรรมโยธาและมาตรวิทยาเพื่อช่วยกำหนดสภาพใต้ดินที่ไม่ทราบแน่ชัดของพื้นที่ เซ็นเซอร์ควอนตัมช่วยเสริมเรดาร์เจาะพื้นดิน การวัดสนามแม่เหล็ก ความต้านทานไฟฟ้า และการวัดเสียง โดยทำการวัดโดยใช้ควอนตัมกราวิเมตรี^{[ 22 ] [ 23 ]}

เซ็นเซอร์ควอนตัมกำลังได้รับการพิจารณาในสาขาการแพทย์เพื่อตรวจจับการนำไฟฟ้าในหลอดเลือดแดงและอวัยวะ การทำงานของเซลล์ประสาท ความคืบหน้าของเคมีบำบัด และไอโซโทปภายในร่างกาย โดยทำผ่านเทคนิคต่างๆ เช่น การพันกันของสปิน การใช้สปินของอะตอมเป็นเซ็นเซอร์แม่เหล็ก และแสงบีบอัด เทคนิคเหล่านี้ให้ข้อมูลที่สามารถนำมาใช้ในการวินิจฉัยปัญหาหัวใจ ภาวะทุพโภชนาการ โรคกระดูกพรุนระยะเริ่มต้น โรคไต รวมถึงมะเร็งบางชนิด^{[ 24 ]}

วิศวกรรมควอนตัมกำลังพัฒนาเป็นสาขาวิชาวิศวกรรม ตัวอย่างเช่นมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูได้เปิดตัวหลักสูตรวิศวกรรมระดับบัณฑิตศึกษาแบบบูรณาการ^{[ 25 ]}มหาวิทยาลัยเชอร์บรูกเปิดสอนหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิตสาขาข้อมูลควอนตัม^{[ 26 ]}และมหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์เปิดสอนหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิตสาขาวิศวกรรมควอนตัม^{[ 27 ]}มหาวิทยาลัยซาร์ลันด์เปิดสอนหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิตสาขาวิศวกรรมควอนตัม^{[ 28 ] [ 29 ]}