量子工学 - 百科事典

量子工学は、量子力学の法則を利用する技術の開発です。この種の工学は量子力学を用いて量子センサや量子コンピュータなどの技術を開発します。

レーザー、MRIイメージャー、トランジスタなどの量子力学効果に依存するデバイスは、技術の多くの分野を革新しました。量子コヒーレンスなどの現象や、過去一百年間に原子スケールのシステムの理解と制御における進歩に依存する新しい技術が開発されています。量子力学効果は、量子センサや新しい画像技術、安全な通信（量子インターネット）、量子コンピューティングなどの広範な応用を持つ革新的な技術に用作業です。

歴史
量子技術の分野は、1997年のGerard J. Milburnの本で探索されました。それに続き、2003年にMilburnとJonathan P. Dowlingが執筆した記事、そして同年にDavid Deutschが発表した別の出版物があります。

量子力学の応用は、レーザーシステム、トランジスタや半導体デバイス、MRIイメージャーなどの他のデバイスにも見られました。英国国防科学技術研究所（DSTL）は、これらのデバイスを「量子1.0」として分類し、それと「量子2.0」として呼ばれるものと区別しました。これは、重ね合わせと渋沢効果を用いて物質の量子状態を積極的に作成、操作、読み出すデバイスの分類です。

2010年以降、多くの政府が量子技術を探索するプログラムを設立しました。例えば、英国の国立量子技術プログラムは、シンガポールの量子技術センターとオランダのQuTech（トポロジカル量子コンピュータ開発センター）に4つの量子「ハブ」を作り出しました。これらのハブは、2016年に欧州連合が導入した量子技術の旗艦プロジェクト「Quantum Technology Flagship」に似た規模の10年間の1億ユーロの大プロジェクトです。

2018年12月に、アメリカ合衆国は「国立量子イニシアティブ法」を通過し、量子研究に対する年間10億ドルの予算を提供しました。中国は、約760億元（約100億ユーロ）の投資計画で世界最大の量子研究施設を建設しています。インド政府も5年間で8000億ルピー（約10億2千万ドル）を投資し、国立量子ミッションの下で量子技術を促進しています。

民間部門では、大企業が量子技術に対する複数の投資を行っています。Google、D-Wave Systems、カリフォルニア大学サンタバーバラなど、組織が量子技術の開発のためのパートナーシップや投資を結成しています。

应用
= 安全な通信 =

量子セキュア通信は、量子計算機システムがShorのアルゴリズムなどの方法を用いて現在の暗号システムを破壊する可能性がある場合に「量子安全」であると期待される方法です。これには、伝送を傍受するとユーザーに明らかになるように渋沢光を用いて情報を伝送する量子キー分配（QKD）などがあります。もう一つの方法は、量子ランダム数生成器で、量子アルゴリズムとは異なり、本当にランダムな数を生成できます。

= 計算 =

量子コンピュータは、最適化や機械学習などの計算分野で重要な用途を持つと期待されています。彼らは、データ伝送の安全性を確保する重要なプロセスである大数の因数分解を行うことができるShorのアルゴリズムが期待されるために最も知られています。

量子シミュレーターは、化学化合物などの実世界のシステムをシミュレートするための量子コンピュータの種類です。量子シミュレーターは、全てのコンポーネントに対する完全な制御が不要であるため、汎用量子コンピュータよりも簡単に構築できます。現在開発中の量子シミュレーターには、光格子内の超冷原子、捕獲イオン、超伝導量子ビットのアレイなどがあります。

= センサ =

量子センサは、位置決定システム、通信技術、電磁界センサ、重力測定、土木工学や地震学などの地学的な研究分野など、幅広い分野で多くの応用が期待されています。

教育プログラム
量子工学は独自の工学分野として進化しています。量子産業は量子文学の労働力を必要としていますが、現在まだ不足しています。量子技術の分野の科学者たちは、多くが物理学や工学の背景を持っており、経験を通じて「量子工学のスキル」を身につけています。20以上の企業を対象にした調査は、量子産業の新入社員に必要な科学的、技術的、そして「ソフト」スキルを理解するために行われました。結果は、企業が量子技術に詳しく、同時に優れた実験室スキルを持つ人々を求めていることが示されました。

いくつかの技術大学は、この分野の教育プログラムを開始しました。例えば、ETHチューリッヒは電気工学部（D-ITET）と物理学部（D-PHYS）の間で量子工学の修士号を開始し、EPFLは量子科学と工学の専攻修士号を提供し、量子物理学と工学の授業と研究機会を組み合わせています。Waterloo大学は量子計算研究所内で統合した大学院工学プログラムを開始しました。デルフト大学、ミュンヘン工科大学、MIT、CentraleSupélecなどの技術大学でも同様のプログラムが進行しています。

学士号の研究分野には機会が限られていますが、いくつかの機関ではプログラムを提供しています。シェルブルック大学は量子情報の学士号を提供し、ウォータールー大学は電気工学プログラム内で量子専攻を提供し、ニューサウスウェールズ大学は量子工学の学士号を提供しています。この学士号の開発に関する報告書は、IEEE Transactions on Quantum Engineeringに発表されました。

学生は信号と情報処理、光電子と光子学、集積回路（双極性、CMOS）および電子ハードウェアアーキテクチャ（VLSI、FPGA、ASIC）について訓練を受けます。さらに、量子センシング、量子通信と暗号化、量子情報処理などの新興応用に触れ、量子シミュレーションや量子計算の原理を学び、捕獲イオンや超伝導回路などの異なる量子処理プラットフォームに慣れ親しんでいます。実験室プロジェクトは、量子デバイスの実践的な実現に必要な技術的スキルを学生に提供し、彼らの量子科学と技術の教育を強化します。

参考文献
量子優位性
ノイズインターミディエートスケール量子時代
量子計算と通信の歴史時系列