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Ingeniería cuántica

Puntos cuánticos coloidales irradiados con luz ultravioleta. Los puntos cuánticos de distintos tamaños emiten luz de distintos colores debido al confinamiento cuántico.

La ingeniería cuántica es el desarrollo de tecnología que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica. La ingeniería cuántica utiliza la mecánica cuántica como una caja de herramientas para el desarrollo de tecnologías cuánticas, como sensores cuánticos u ordenadores cuánticos .

Muchos de los dispositivos que utiliza la gente dependen de los efectos mecánicos cuánticos y han revolucionado la sociedad a través de la medicina, la comunicación óptica, Internet de alta velocidad y la informática de alto rendimiento, por mencionar solo algunos ejemplos. Después de los avances tecnológicos que nos trajeron los láseres , los generadores de imágenes por resonancia magnética y los transistores , se espera que una segunda ola de tecnologías cuánticas impacte a la sociedad de manera similar. Se espera que estas nuevas tecnologías hagan uso de la coherencia cuántica, basándose en el progreso logrado en el último siglo en la comprensión y el control de los sistemas a escala atómica. Los efectos mecánicos cuánticos se utilizan como un recurso en tecnologías novedosas con aplicaciones de largo alcance, incluidos los sensores cuánticos [1] [2] y las nuevas técnicas de obtención de imágenes, [3] la comunicación segura ( Internet cuántico ) [4] [5] [6] y la computación cuántica. [7] [8] [9] [10] [11]

Historia

El campo de la tecnología cuántica fue explorado en un libro de 1997 por Gerard J. Milburn . [12] Luego fue seguido por un artículo de 2003 de Milburn y Jonathan P. Dowling , [13] y una publicación separada de David Deutsch en el mismo año. [14]

La aplicación de la mecánica cuántica se hizo evidente en varias tecnologías, entre ellas los sistemas láser , los transistores y los dispositivos semiconductores , así como otros dispositivos como los generadores de imágenes por resonancia magnética . El Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa del Reino Unido (DSTL) agrupó estos dispositivos como "cuánticos 1.0" para diferenciarlos de lo que denominó "cuánticos 2.0". Se trata de una definición de la clase de dispositivos que crean, manipulan y leen activamente estados cuánticos de la materia utilizando los efectos de superposición y entrelazamiento. [15]

Desde 2010 en adelante, varios gobiernos han establecido programas para explorar tecnologías cuánticas, [16] como el Programa Nacional de Tecnologías Cuánticas del Reino Unido, [17] que creó cuatro "centros" cuánticos. Estos centros se encuentran en el Centro de Tecnologías Cuánticas en Singapur y QuTech, un centro holandés para desarrollar una computadora cuántica topológica. [18] En 2016, la Unión Europea presentó el Quantum Technology Flagship, [19] [20] un megaproyecto de 10 años de duración y 1000 millones de euros , similar en tamaño a los proyectos insignia de tecnologías futuras y emergentes europeas anteriores . [21] [22] En diciembre de 2018, Estados Unidos aprobó la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional , que proporciona un presupuesto anual de 1000 millones de dólares para la investigación cuántica. [23] China está construyendo la instalación de investigación cuántica más grande del mundo con una inversión planificada de 76 mil millones de yuanes (aproximadamente 10 mil millones de euros). [24] [25] El gobierno indio también ha invertido 8000 millones de rupias (aproximadamente 1.020 millones de dólares estadounidenses) durante 5 años para impulsar las tecnologías cuánticas en el marco de su Misión Cuántica Nacional. [26]

En el sector privado, las grandes empresas han realizado múltiples inversiones en tecnologías cuánticas. Organizaciones como Google , D-wave Systems y la Universidad de California en Santa Bárbara [27] han formado alianzas e inversiones para desarrollar tecnología cuántica.

Aplicaciones

Comunicaciones seguras

La comunicación segura cuántica es un método que se espera que sea "cuánticamente seguro" en el advenimiento de los sistemas de computación cuántica que podrían romper los sistemas de criptografía actuales utilizando métodos como el algoritmo de Shor . Estos métodos incluyen la distribución de clave cuántica (QKD) , un método de transmisión de información utilizando luz entrelazada de una manera que hace que cualquier intercepción de la transmisión sea obvia para el usuario. Otro método es el generador de números aleatorios cuánticos, que es capaz de producir números verdaderamente aleatorios a diferencia de los algoritmos no cuánticos que simplemente imitan la aleatoriedad. [28]

Computación

Se espera que las computadoras cuánticas tengan una serie de usos importantes en campos de la computación como la optimización y el aprendizaje automático. Quizás sean más conocidas por su capacidad prevista para llevar a cabo el algoritmo de Shor, que se puede utilizar para factorizar números grandes y es un proceso importante para la seguridad de las transmisiones de datos.

Los simuladores cuánticos son tipos de computadoras cuánticas diseñadas para simular un sistema del mundo real, como un compuesto químico. [29] [30] Los simuladores cuánticos son más simples de construir en comparación con las computadoras cuánticas de propósito general porque no es necesario un control completo sobre cada componente. [29] Los simuladores cuánticos actuales en desarrollo incluyen átomos ultrafríos en redes ópticas, iones atrapados, matrices de cúbits superconductores y otros. [29]

Sensores

Se espera que los sensores cuánticos tengan una serie de aplicaciones en una amplia variedad de campos, incluidos sistemas de posicionamiento, tecnología de comunicaciones, sensores de campos eléctricos y magnéticos, gravimetría [31] así como áreas de investigación geofísicas como ingeniería civil [32] y sismología.

Programas educativos

La ingeniería cuántica está evolucionando hacia una disciplina de ingeniería propia. La industria cuántica requiere una fuerza laboral con conocimientos cuánticos, un recurso que falta en este momento. Actualmente, los científicos en el campo de la tecnología cuántica tienen en su mayoría antecedentes en física o ingeniería y han adquirido sus "habilidades de ingeniería cuántica" mediante la experiencia. Una encuesta a más de veinte empresas tenía como objetivo comprender las habilidades científicas, técnicas y "blandas" que se requieren de los nuevos empleados en la industria cuántica. Los resultados muestran que las empresas a menudo buscan personas que estén familiarizadas con las tecnologías cuánticas y que, al mismo tiempo, posean excelentes habilidades prácticas de laboratorio. [33]

Varias universidades técnicas han lanzado programas educativos en este dominio. Por ejemplo, la ETH de Zúrich ha iniciado un Máster en Ciencias en Ingeniería Cuántica, una iniciativa conjunta entre el departamento de ingeniería eléctrica (D-ITET) y el departamento de física (D-PHYS), y la Universidad de Waterloo ha lanzado programas integrados de posgrado en ingeniería dentro del Instituto de Computación Cuántica . [34] [35] Se están llevando a cabo programas similares en la Universidad de Delft , la Universidad Técnica de Múnich , el MIT , CentraleSupélec y otras universidades técnicas.

En el ámbito de los estudios de grado, las oportunidades de especialización son escasas. Sin embargo, algunas instituciones han comenzado a ofrecer programas. La Universidad de Sherbrooke ofrece una licenciatura en ciencias de la información cuántica, [36] la Universidad de Waterloo ofrece una especialización cuántica en su programa de ingeniería eléctrica, y la Universidad de Nueva Gales del Sur ofrece una licenciatura en ingeniería cuántica. [37]

Los estudiantes se capacitan en procesamiento de señales e información, optoelectrónica y fotónica, circuitos integrados (bipolares, CMOS ) y arquitecturas de hardware electrónico ( VLSI , FPGA , ASIC ). Además, se les expone a aplicaciones emergentes como la detección cuántica, la comunicación cuántica y la criptografía y el procesamiento cuántico de información. Aprenden los principios de la simulación cuántica y la computación cuántica, y se familiarizan con diferentes plataformas de procesamiento cuántico, como los iones atrapados y los circuitos superconductores . Los proyectos prácticos de laboratorio ayudan a los estudiantes a desarrollar las habilidades técnicas necesarias para la realización práctica de dispositivos cuánticos, consolidando su educación en ciencia y tecnologías cuánticas.

Véase también

Referencias

  1. ^ Degen, CL; Reinhard, F.; Cappellaro, P. (25 de julio de 2017). "Detección cuántica". Reseñas de Física Moderna . 89 (3): 035002. arXiv : 1611.02427 . Código Bibliográfico :2017RvMP...89c5002D. doi :10.1103/RevModPhys.89.035002. S2CID  2555443.
  2. ^ Boss, JM; Cujia, KS; Zopes, J.; Degen, CL (26 de mayo de 2017). "Detección cuántica con resolución de frecuencia arbitraria". 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). "Imágenes con estados cuánticos de luz". Nature Reviews Physics . 1 (6): 367–380. arXiv : 1908.03034 . Código Bibliográfico :2019NatRP...1..367M. doi :10.1038/s42254-019-0056-0. ISSN  2522-5820. S2CID  189928693.
  4. ^ Liao, Sheng-Kai; Cai, Wen-Qi; Liu, Wei-Yue; Zhang, Liang; Li, Yang; Ren, Ji-Gang; Yin, Juan; Shen, Qi; Cao, Yuan; Li, Zheng-Ping; Li, Feng-Zhi (2017). "Distribución de claves cuánticas satélite-tierra". Naturaleza . 549 (7670): 43–47. arXiv : 1707.00542 . Código Bib :2017Natur.549...43L. doi : 10.1038/naturaleza23655. ISSN  1476-4687. PMID  28825707. S2CID  205259539.
  5. ^ Yin, Juan; Li, Yu-Huai; Liao, Sheng-Kai; Yang, Meng; Cao, Yuan; Zhang, Liang; Ren, Ji-Gang; Cai, Wen-Qi; Liu, Wei-Yue; Li, Shuang-Lin; Shu, Rong (2020). "Criptografía cuántica segura basada en entrelazamiento a lo largo de 1.120 kilómetros". Naturaleza . 582 (7813): 501–505. Código Bib :2020Natur.582..501Y. doi :10.1038/s41586-020-2401-y. ISSN  1476-4687. PMID  32541968. S2CID  219692094.
  6. ^ Chen, Yu-Ao; Zhang, Qiang; Chen, Teng-Yun; Cai, Wen-Qi; Liao, Sheng-Kai; Zhang, junio; Chen, Kai; Yin, Juan; Ren, Ji-Gang; Chen, Zhu; Han, Sheng-Long (2021). "Una red integrada de comunicación cuántica espacio-tierra de más de 4.600 kilómetros". Naturaleza . 589 (7841): 214–219. Código Bib :2021Natur.589..214C. doi :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). "Ordenadores cuánticos". Nature . 464 (7285): 45–53. arXiv : 1009.2267 . Bibcode :2010Natur.464...45L. doi :10.1038/nature08812. ISSN  1476-4687. PMID  20203602. S2CID  4367912.
  8. ^ Arute, Frank; Arya, Kunal; Babbush, Ryan; Bacon, Dave; Bardin, Joseph C.; Barends, Rami; Biswas, Rupak; Boixo, Sergio; Brandao, Fernando GSL; Buell, David A.; Burkett, Brian (2019). "Supremacía cuántica utilizando un procesador superconductor programable". Nature . 574 (7779): 505–510. arXiv : 1910.11333 . Código Bibliográfico :2019Natur.574..505A. doi :10.1038/s41586-019-1666-5. ISSN  1476-4687. PMID  31645734. S2CID  204836822.
  9. ^ Georgescu, Iulia (2020). "La computación cuántica con iones atrapados cumple 25 años". 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). "El panorama comercial emergente de la computación cuántica". Nature Reviews Physics . 2 (11): 596–598. arXiv : 2202.12733 . Código Bibliográfico :2020NatRP...2..596M. doi :10.1038/s42254-020-00247-5. ISSN  2522-5820. S2CID  225134962.
  11. ^ Zhong, Han-Sen; Wang, Hui; Deng, Yu-Hao; Chen, Ming-Cheng; Peng, Li-Chao; Luo, Yi-Han; Qin, Jian; Wu, Dian; Ding, Xing; Hu, Yi; Hu, Peng (2020). "Ventaja computacional cuántica utilizando fotones". Ciencia . 370 (6523): 1460–1463. arXiv : 2012.01625 . Código Bib : 2020 Ciencia... 370.1460Z. doi : 10.1126/science.abe8770. ISSN  0036-8075. PMID  33273064. S2CID  227254333.
  12. ^ Las máquinas de Schrödinger, GJ Milburn, WH Freeman & Co. (1997) Archivado el 30 de agosto de 2007 en Wayback Machine.
  13. ^ Dowling, JP; Milburn, GJ (2003). "Tecnología cuántica: la segunda revolución cuántica". Phil. Trans. R. Soc. A. 361 ( 1809): 1655–1674. arXiv : quant-ph/0206091 . Código Bibliográfico : 2003RSPTA.361.1655D. doi : 10.1098/rsta.2003.1227. PMID  12952679.
  14. ^ "Física, filosofía y tecnología cuántica", D. Deutsch en las Actas de la Sexta Conferencia Internacional sobre Comunicación, Medición y Computación Cuántica, Shapiro, JH y Hirota, O., Eds. (Rinton Press, Princeton, NJ, 2003)
  15. ^ J. Pritchard y S. Till. "Panorama de la tecnología cuántica en el Reino Unido en 2014"
  16. ^ Thew, Rob; Jennewein, Thomas; Sasaki, Masahide (2019). "Enfoque en iniciativas de ciencia y tecnología cuántica en todo el mundo". Ciencia y tecnología cuántica . 5 : 010201. doi :10.1088/2058-9565/ab5992.
  17. ^ Knight, Peter; Walmsley, Ian (2019). "Programa nacional de tecnología cuántica del Reino Unido". Ciencia y tecnología cuántica . 4 (4): 040502. Bibcode :2019QS&T....4d0502K. doi : 10.1088/2058-9565/ab4346 . hdl : 10044/1/75584 .
  18. ^ 'Un poquito mejor' The Economist, 18 de junio de 2015
  19. ^ Riedel, Max F.; Binosi, Daniele; Thew, Rob; Calarco, Tommaso (2017). "El programa insignia europeo de tecnologías cuánticas". Ciencia y tecnología cuánticas . 2 (3): 030501. Bibcode :2017QS&T....2c0501R. doi : 10.1088/2058-9565/aa6aca .
  20. ^ Riedel, Max; Kovacs, Matyas; Zoller, Peter; Mlynek, Jürgen; Calarco, Tommaso (2019). "Iniciativa insignia cuántica de Europa". Ciencia y tecnología cuántica . 4 (2): 020501. Bibcode :2019QS&T....4b0501R. doi : 10.1088/2058-9565/ab042d .
  21. ^ "Europa gastará mil millones de euros para convertir la física cuántica en tecnología cuántica - IEEE Spectrum".
  22. ^ Gibney, Elizabeth (2016). «Europa planea un gigantesco proyecto de mil millones de euros en tecnologías cuánticas». Nature . 532 (7600): 426. Bibcode :2016Natur.532..426G. doi :10.1038/nature.2016.19796. PMID  27121819.
  23. ^ Raymer, Michael G.; Monroe, Christopher (2019). "La Iniciativa Cuántica Nacional de Estados Unidos". Ciencia y tecnología cuántica . 4 (2): 020504. Bibcode :2019QS&T....4b0504R. doi : 10.1088/2058-9565/ab0441 .
  24. ^ "China construye la mayor instalación de investigación cuántica del mundo". 11 de septiembre de 2017. Consultado el 17 de mayo de 2018 .
  25. ^ Zhang, Qiang; Xu, Feihu; Li, Li; Liu, Nai-Le; Pan, Jian-Wei (2019). "Investigación de información cuántica en China". Ciencia y tecnología cuánticas . 4 (4): 040503. Código bibliográfico : 2019QS&T....4d0503Z. doi : 10.1088/2058-9565/ab4bea .
  26. ^ Padma, TV (3 de febrero de 2020). "India apuesta fuerte por la tecnología cuántica". Nature . doi :10.1038/d41586-020-00288-x. PMID  33526896. S2CID  212809353.
  27. ^ El hombre que construirá la esquiva computadora cuántica de Google; Wired, 09.05.14
  28. ^ Love, Dylan (31 de julio de 2017). "La tecnología 'cuántica' es el futuro y ya está aquí: esto es lo que eso significa para ti". Business Insider . Consultado el 12 de noviembre de 2019 .
  29. ^ abc "Tecnologías cuánticas en pocas palabras". Tecnología cuántica . Consultado el 27 de noviembre de 2022 .
  30. ^ Johnson, Tomi H.; Clark, Stephen R.; Jaksch, Dieter (diciembre de 2014). "¿Qué es un simulador cuántico?". EPJ Quantum Technology . 1 (1): 10. arXiv : 1405.2831 . Bibcode :2014EPJQT...1...10J. doi : 10.1140/epjqt10 . ISSN  2196-0763.
  31. ^ Rademacher, Markus; Millen, James; Li, Ying Lia (1 de octubre de 2020). "Detección cuántica con nanopartículas para gravimetría: cuando más grande, mejor". Advanced Optical Technologies . 9 (5): 227–239. arXiv : 2005.14642 . Código Bibliográfico :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). "Detección cuántica para cartografía de la gravedad". Naturaleza . 602 (7898): 590–594. Código Bibliográfico :2022Natur.602..590S. doi : 10.1038/s41586-021-04315-3 . PMC: 8866129. PMID:  35197616 . 
  33. ^ Fox, Michael FJ; Zwickl, Benjamin M.; Lewandowski, HJ (2020). "Preparándose para la revolución cuántica: ¿Cuál es el papel de la educación superior?". 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. ^ "Programas | Instituto de Computación Cuántica". uwaterloo.ca . Consultado el 28 de noviembre de 2022 .
  35. ^ "Máster en Ingeniería Cuántica". master-qe.ethz.ch . Consultado el 28 de noviembre de 2022 .
  36. ^ "Bachillerato en ciencias de la información cuántica". Nosotrosherbrooke.
  37. ^ "Licenciatura en Ingeniería (con honores) (Ingeniería cuántica)". UNSW Sydney.