Ingeniería cuántica - Enciclopedia
La ingeniería cuántica es el desarrollo de tecnologías que aprovechan las leyes de la mecánica cuántica. Este tipo de ingeniería utiliza la mecánica cuántica para desarrollar tecnologías como sensores cuánticos y computadoras cuánticas.
Los dispositivos que dependen de efectos mecánicos cuánticos, como los láseres, los imanes de resonancia magnética (MRI) e los transistores, han revolucionado muchas áreas de la tecnología. Se están desarrollando nuevas tecnologías que dependen de fenómenos como la coherencia cuántica y los avances logrados en el último siglo en la comprensión y control de sistemas a escala atómica. Los efectos mecánicos cuánticos se utilizan como recurso en tecnologías novedosas con aplicaciones a largo plazo, incluyendo sensores cuánticos y técnicas de imagen novedosas, comunicación segura (internet cuántico) y computación cuántica.
Historia
El campo de la tecnología cuántica fue explorado en un libro de 1997 por Gerard J. Milburn. Luego, se publicó un artículo en 2003 por Milburn y Jonathan P. Dowling, y una publicación separada por David Deutsch ese mismo año.
La aplicación de la mecánica cuántica fue evidente en varias tecnologías, incluyendo sistemas láser, transistores y dispositivos semiconductores, así como otros dispositivos como los imanes de resonancia magnética. El Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa del Reino Unido (DSTL) agrupó estos dispositivos como 'quantum 1.0' para diferenciarlos de lo que denominó 'quantum 2.0'. Esta es una definición de la clase de dispositivos que crean, manipulan y leen activamente los estados cuánticos de la materia utilizando los efectos de superposición y entrelazamiento.
Desde 2010, varios gobiernos han establecido programas para explorar tecnologías cuánticas, como el Programa Nacional de Tecnologías Cuánticas del Reino Unido, que creó cuatro 'centros cuánticos'. Estos centros se encuentran en el Centro de Tecnologías Cuánticas de Singapur y QuTech, un centro holandés para desarrollar un computador cuántico topológico. En 2016, la Unión Europea introdujo el Proyecto Bandera de Tecnologías Cuánticas, un megaproyecto de 10 años y 1 mil millones de euros, similar en tamaño a los proyectos anteriores de Tecnologías Futuras y Emergentes de la Unión Europea.
En diciembre de 2018, los Estados Unidos aprobaron la Ley de Iniciativa Nacional Cuántica, que proporciona un presupuesto anual de 1 mil millones de dólares para la investigación cuántica. China está construyendo la mayor instalación de investigación cuántica del mundo con una inversión planificada de 76 mil millones de yuans (aproximadamente 10 mil millones de euros). El gobierno indio también ha invertido 8000 millones de rupias (aproximadamente 1.02 mil millones de dólares) durante 5 años para impulsar las tecnologías cuánticas bajo su Misión Cuántica Nacional.
En el sector privado, grandes empresas han hecho múltiples inversiones en tecnologías cuánticas. Organizaciones como Google, D-wave systems y la Universidad de California en Santa Bárbara han formado asociaciones e inversiones para desarrollar tecnología cuántica.
Aplicaciones
= Comunicaciones seguras =
La comunicación segura cuántica es un método que se espera sea 'segura cuánticamente' en el advenimiento de sistemas de computación cuántica que podrían romper los sistemas criptográficos actuales utilizando métodos como el algoritmo de Shor. Estos métodos incluyen la distribución de claves cuánticas (QKD), un método para transmitir información utilizando luz entrelazada de manera que cualquier interceptación de la transmisión sea obvia para el usuario. Otra方法是量子随机数生成器，能够产生真正的随机数，而不同于仅模仿随机性的非量子算法。
= Computación =
Se espera que los computadores cuánticos tengan una serie de usos importantes en campos de la computación como la optimización y el aprendizaje automático. Son quizás mejor conocidos por su capacidad esperada para llevar a cabo el algoritmo de Shor, que puede factorizar números grandes y es un proceso importante en la seguridad de las transmisiones de datos.
Los simuladores cuánticos son tipos de computadores cuánticos diseñados para simular sistemas del mundo real, como compuestos químicos. Los simuladores cuánticos son más fáciles de construir en comparación con los computadores cuánticos de propósito general porque no es necesario controlar completamente cada componente. Los simuladores cuánticos en desarrollo incluyen átomos ultrafríos en retículas ópticas, iones atrapados, matrices de qubits superconductores y otros.
= Sensores =
Se espera que los sensores cuánticos tengan una amplia variedad de aplicaciones en campos como los sistemas de posicionamiento, la tecnología de comunicación, los sensores de campos eléctricos y magnéticos, la gravimetría, así como áreas de investigación geofísicas como la ingeniería civil y la sismología.
Programas educativos
La ingeniería cuántica está evolucionando hacia su propia disciplina de ingeniería. La industria cuántica requiere una fuerza laboral informada en cuántica, un recurso que falta en la actualidad. Actualmente, los científicos en el campo de la tecnología cuántica tienen la mayoría de las veces un fondo en física o ingeniería y han adquirido sus "habilidades de ingeniería cuántica" por experiencia. Una encuesta de más de veinte empresas tuvo como objetivo comprender las habilidades científicas, técnicas y "blandas" requeridas 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 al mismo tiempo posean excelentes habilidades prácticas en el laboratorio.
Varias universidades técnicas han lanzado programas educativos en este dominio. Por ejemplo, la ETH Zurich ha iniciado un Máster en Ingeniería Cuántica, una empresa conjunta entre el departamento de ingeniería eléctrica (D-ITET) y el departamento de física (D-PHYS), EPFL ofrece un programa de máster en Ciencia y Ingeniería Cuántica, combinando cursos en física cuántica e ingeniería con oportunidades de investigación, y la Universidad de Waterloo ha lanzado programas de posgrado integrados en el Instituto de Computación Cuántica. Programas similares están siendo desarrollados en la Universidad Técnica de Delft, la Universidad Técnica de Múnich, el MIT, CentraleSupélec y otras universidades técnicas.
En el ámbito de los estudios de pregrado, las oportunidades de especialización son escasas. Sin embargo, algunas instituciones han comenzado a ofrecer programas. La Université de Sherbrooke ofrece una licenciatura en información cuántica, la Universidad de Waterloo ofrece una especialización en cuántica en su programa de ingeniería eléctrica, y la Universidad de Nueva Gales del Sur ofrece una licenciatura en ingeniería cuántica. Se ha publicado un informe sobre el desarrollo de este título en IEEE Transactions on Quantum Engineering.
Los estudiantes se entrenan en procesamiento de señales e información, optoelectrónica y fotónica, circuitos integrados (bipolares, CMOS) y arquitecturas de hardware electrónico (VLSI, FPGA, ASIC). Además, se exponen a aplicaciones emergentes como el sensor cuántico, la comunicación cuántica y la criptografía, y el procesamiento de información cuántica. 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 de laboratorio práctico 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
Supremacía cuántica
Era cuántica de escala intermedia ruidosa
Cronología de la computación y la comunicación cuánticas
Referencias