اهمیت خودآگاهی در رهبری و مدیریت
اسفند 24, 1400
صنعت 4.0، راهگشای توسعه پایدار
فروردین 6, 1401
نمایش همه

فناوری‌های کوانتومی و کاربرد آن‌ها در صنعت 4.0

تغییرات هر روزه در جهان از نظر اندازه، گستردگی و پیچیدگی با هر چیزی که بشریت تا به حال با آن مواجه شده، متفاوت است. با انقلاب صنعتی 4.0، چگونه فناوری‌های کوانتومی می‌توانند بخشی از آن باشند؟ Chiranjeevi Aradhya، مهندس ارشد نرم‌افزار در Collins Aerospace، آیووا به ما می‌گوید که چگونه می‌توان از فناوری‌های کوانتومی در انقلاب چهارم صنعتی استفاده کرد.

نظریه کوانتومی بیان می‌کند که تمام انرژی و ماده از ذراتی معروف به کوانتوم ساخته شده‌اند. هدف بلندمدت تحقیقات فناوری اطلاعات کوانتومی، توسعه روش‌های کنترل و دستکاری سیستم‌های کوانتومی برای گسترش پردازش اطلاعات فراتر از توانایی‌های دنیای کلاسیک است. استفاده از فناوری‌های کوانتومی در مهندسی برای حل مسائل فنی دشوار در کامپیوتر، ارتباطات، حسگرها، علم شیمی، رمزگذاری، تصویربرداری، و مسائل مکانیکی در آینده بسیار رایج خواهد بود. برای مثال، کامپیوتر کوانتومی می‌تواند کارهایی را انجام دهد که حتی پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های امروزی هم از پس آن‌ها برنمی‌آیند.

کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک از سه جهت اصلی با هم متفاوت هستند. اول، محاسبات کوانتومی از بیت‌هایی که صفر یا یک هستند، استفاده نمی کند. آن‌ها از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که توانایی این را دارند که هم‌زمان به صورت صفر یا یک عمل کنند. دوم، کیوبیت‌ها به جای اینکه موجودیت‌های مجزا باشند، در یک حالت درهم‌تنیده قرار دارند. می‌توان گفت، این دو ویژگی ظرفیت کیوبیت‌ها را برای ذخیره اطلاعات بیشتر نسبت به کامپیوترهای سنتی فراهم می‌کنند. تمایز سوم این است که یک کامپیوتر کوانتومی به شیوه‌ای اساسی، متفاوت عمل می‌کند. همه نتایج ممکن را به‌طور همزمان تجزیه و تحلیل می‌کند و از تداخل سازنده برای تصمیم‌گیری در مورد راه‌حل احتمالی که درست است، استفاده می‌کند.

با پیشرفت تحقیق و توسعه (R&D) در این زمینه، این فناوری به‌زودی بر هر کاری که ما در زندگی روزمره انجام می‌دهیم، از برقراری ارتباط گرفته تا انجام امور مالی، تأثیر خواهد گذاشت. محاسبات کوانتومی، با تمام مزایایی که دارد، برای حوزه‌های مختلف فناوری از جمله وسایل نقلیه خودران، پیش‌بینی آب و هوا، برنامه‌ریزی حمل‌ونقل، تحقیقات دارویی، ارتباطات مالی امن و بهره‌برداری از منابع و سنجش آن‌ها جذاب است. به‌طور مثال برای یک شرکت هواپیمایی، می‌تواند به تأخیر، تغییر مسیر و برنامه‌ریزی مجدد پروازهایی که لغو شده‌اند، کمک کند و به این همه امنیت بیشتر در هنگام پرداخت آنلاین صورتحساب‌ها را نیز اضافه کند. این پیشرفت حتی اجازه می‌دهد تا سیستم‌های تصویربرداری پزشکی نیز خاص‌تری ایجاد شود.

مواد مورد استفاده در کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس نانو دارای ویژگی‌های منحصر به فردی هستند که می‌تواند پیچیدگی فرآیندهای شیمیایی مدل و طراحی مواد را افزایش دهند. این موضوع به طراحان و مهندسان کمک می‌کند تا داروها، باتری‌ها و مواد پیشرفته‌تری با خواص الکتریکی و مکانیکی برتر تولید کنند.

حتی با وجود چنین مزایای عظیمی، میدان کوانتومی به دلیل مشکلات علمی و فنی قابل‌توجهی که در آن وجود دارد، هنوز برای تجاری‌سازی آماده نیست. برنامه‌های کاربردی نوآورانه و با تأثیر بالا ممکن است توسط شرکت‌ها بر اساس حمایت قابل ‌توجه و قابل اعتماد دولت ایجاد شود که می‌تواند منجر به توسعه اقتصادی و اشتغال شود. این نتایج اقتصادی به‌عنوان بازخورد برای اقتصاد کوانتومی در حال توسعه عمل می‌کند.

تحقیقات اساسی، ترجمه، توسعه فناوری و حل مشکلات مرتبط با اهداف ملی باید در ابتکارات ما گنجانده شود. این گنجاندن ممکن است شامل کامپیوترهای کوانتومی، ارتباطات کوانتومی، ظرفیت بومی و پرسنل آموزش دیده مورد نیاز برای تحقیقات مبتنی بر کوانتوم باشد.

انقلاب صنعتی 4.0

ما فقط درک اولیه‌ای از توسعه داریم، اما باید از یک رویکرد جامع استفاده کرد؛ رویکردی با مشارکت همه سهام‌داران جهانی که نه تنها بخش‌های عمومی و تجاری، بلکه دانشگاه‌ها و جامعه مدنی را نیز شامل می‌شود. بیایید ببینیم که صنایع در طول انقلاب صنعتی 4.0 چگونه تکامل خواهند یافت.

نیروی آب و بخار به پیشبرد اولین انقلاب صنعتی که شامل اتوماسیون بود، کمک کرد. دومی با استفاده از برق، انقلابی در تولید انبوه به‌وجود آورد. انقلاب سوم از الکترونیک و فناوری اطلاعات در فرآیند تولید بهره برد. و انقلاب صنعتی چهارم با پایه و اساس انقلاب صنعتی سوم در حال ساخت است. صنعت 4.0 در اواخر قرن بیستم با انقلاب دیجیتال آغاز شد. هم‌گرایی به فناوری‌های نوظهور کمک می‌کند تا به‌طور یکپارچه در جهان فیزیکی، دیجیتالی و بیولوژیکی حرکت کنند.

سه عامل کلیدی وجود دارد که دوران گذار کنونی را از دوره‌های قبلی متمایز می‌کند: سرعت، دامنه و اثر سیستم. سابقه تاریخی را دیگر نمی‌توان در مورد سرعت کنونی پیشرفت‌ها اعمال کرد. در حالی که انقلاب‌های صنعتی قبلی با سرعت خطی رخ می‌دادند، انقلاب صنعتی چهارم با سرعتی تصاعدی در حال پیشرفت است. علاوه بر این، تقریباً در هر بخش و ملتی در سراسر جهان وقفه ایجاد می‌کند و باعث ایجاد تغییرات شدید از روش‌های تولید و مدیریت تا کل سیستم حکمرانی می‌شود.

ما بر این باوریم که دستگاه‌های تلفن همراه – با تمام قدرت پردازش، ظرفیت ذخیره‌سازی و دسترسی به اطلاعات – درها را به روی برنامه‌های کاربردی مختلف برای میلیاردها نفر باز خواهند کرد.

علاوه بر این، پیشرفت‌ها در زمینه‌هایی مانند هوش مصنوعی، ربات‌ها، اینترنت اشیا، خودروهای خودران، چاپ سه بعدی، فناوری نانو، بیوتکنولوژی، علم مواد، ذخیره‌سازی انرژی و محاسبات کوانتومی، تأثیر مثبتی بر راه‌حل‌های بالقوه خواهند داشت.

تحقیقات مرزی

فناوری‌های کوانتومی پتانسیل عظیمی مانند خطوط ارتباطی ایمن و غیرقابل هک را ارائه می‌کند که با استفاده از آنها می‌توان تابشگرها و آشکارسازهای تک فوتونی را توسعه داد که ممکن است به جلوگیری از حملات سایبری کمک کند که به زیرساخت‌های کشورها آسیب می‌زند.

گوگل، مایکروسافت و آی‌بی‌ام از فناوری‌های کوانتومی برای تقویت محاسبات کسب‌وکار خود استفاده می‌کنند. یکی از دلایل اصلی مشکل جهانی انرژی، مقدار بسیار زیاد انرژی مورد نیاز برای حفظ افزایش مصرف اینترنت است. مدرن کردن اجزای محاسباتی و تجهیزات ارتباطی ما به حفاظت از محیط‌زیست کمک می‌کند. بنابراین نسل جدیدی از دستگاه‌های کوانتومی در Technion برای بهبود رایانه‌ها و ارتباطات در حال توسعه است.

با کمک فناوری‌های کوانتومی، می‌توانیم دستگاه‌های سنجشی بسازیم که از حسگرهای کوچک‌تر و حساس‌تر استفاده می‌کنند. سنسورهای تشخیصی و کاربردهای تصویربرداری پزشکی با وضوح فوق‌العاده این مواد ممکن است به دلایل مختلفی از جمله سنسورهای کاشته‌شده و تصویربرداری پزشکی مورد استفاده قرار گیرند. فناوری دید در شب فوق‌العاده حساس و حسگرهای میدان مغناطیسی، شتاب، دما، مواد شیمیایی خطرناک و شرایط محیطی مضر در کنار این فناوری جدید در حال توسعه هستند.

بیشتر مطالعه کنید: رباتیک در صنعت 4.0

اگرچه همه مواد کوانتومی هستند، به‌طور تجربی می‌توانیم از آثار پدیده‌های کوانتومی مانند ابررسانایی، عایق‌های توپولوژیکی و غیره استفاده کنیم. بسیاری از مواد سیستم اطلاعات کوانتومی (QIS) از تله‌های یونی، نقاط کوانتومی، ابررساناها و مواد توپولوژیکی استفاده می‌کنند. مواد کوانتومی، از آنجایی که وعده‌های زیادی برای کاربردهای QIS دارند، می‌توانند مکملی عالی برای طرح ژنوم مواد نیز باشند.

ارتباطات و رمزنگاری

در حوزه‌ای از فیزیک کوانتومی کاربردی که به شدت با پردازش اطلاعات کوانتومی و انتقال از راه دور کوانتومی مرتبط است، ارتباطات کوانتومی ممکن است به عنوان زیر شاخه ای از فیزیک کوانتومی دیده شود. جالب ترین استفاده از رمزنگاری کوانتومی در ایمن‌سازی مسیرهای اطلاعاتی در برابر استراق سمع است. توزیع کلید کوانتومی (QKD) شناخته شده ترین و برنامه‌ای توسعه‌یافته از رمزنگاری کوانتومی است. استفاده از فناوری‌های کوانتومی، انجام وظایف رمزنگاری یا شکاف در سیستم‌های رمزنگاری را مورد بحث قرار می دهد.

مفهوم کار، یک سیستم QKD (توزیع کلید کوانتومی) ساده است. سناریویی را در نظر بگیرید که در آن دو نفر، یعنی آلیس و باب، از فوتون‌های منفرد پلاریزه شده تصادفی برای ارسال دنباله‌ای از دنباله‌های اعداد تصادفی استفاده می‌کنند که همگی به عنوان کلیدهای رمزنگاری استفاده می‌شوند. کانال کوانتومی دو ایستگاه را به هم متصل می‌کند، در حالی‌که کانال کلاسیک آنها را به هم پیوند می‌دهد. آلیس از یک مولد اعداد تصادفی برای تولید جریان‌های تصادفی کیوبیت‌ها استفاده می‌کند که سپس از طریق کانال کوانتومی منتقل می‌شوند. پس از دریافت جریان کیوبیت، باب و آلیس عملیات کلاسیک را برای جستجوی یک استراق سمع انجام می‌دهند. هنگامی که دو مجموعه بیت به دنبال یک انتقال کیوبیت به دست می‌آیند، استراق سمع در معرض نمایش قرار می‌گیرد. برای ایجاد تقریباً تمام سیستم‌های رمزگذاری مناسب، باید فراوانی تصادفی واقعی وجود داشته باشد، که ممکن است به‌خوبی از طریق اپتیک کوانتومی تولید شود.

مترولوژی کوانتومی

اینکه آیا صنعت 4.0 توسط پیشرفت‌های اندازه‌شناسی هدایت می‌شود یا اینکه تغییرات در اندازه‌شناسی توسط صنعت 4.0 انجام می‌شود، موضوع جالب است. پیشرفته‌ترین سیستم‌های اندازه‌شناسی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، تضمین کیفیت (QA) را هدایت می‌کنند، که به خودی خود، فرآیندهای تولید مقرون‌به‌صرفه و کارآمد را امکان‌پذیر می‌سازد. امروزه، داده‌های QA مستقیماً بر نحوه تولید کالا، قیمت نهایی و تکرارپذیری در تولید تأثیر می‌گذارد.

بر اساس دیدگاه بالا، می‌توان نتیجه گرفت که QA برای هدایت صنعت 4.0 ضروری است. این استدلال با توسعه سریع فناوری‌های اندازه‌شناسی نوری سه بعدی بدون تماس تقویت می‌شود، زیرا پردازش تصویر و سیستم‌های بینایی ممکن است به‌راحتی در عملیات‌های صنعت 4.0 ادغام شوند.

اکنون، ما شروع به ارزیابی مجدد باورهای دیرینه می‌کنیم. اندازه‌گیری کیفیت محصول برای مدت طولانی به عنوان یک زیان ضروری در نظر گرفته می‌شد، جنبه‌ای از توسعه محصول که موارد چک لیست را برآورده می‌سازد اما مستقیما به ارزش محصول کمک نمی‌کند. شاید بتوان ادعا کرد که اندازه‌شناسی هیچ کاربرد دیگری جز تشخیص مشکلات فرآیند تولید از دیدگاهی خاص ندارد. اگر عیوب یا کاستی ها وجود نداشت، اندازه‌شناسی بی‌فایده بود.

با این حال، امروزه، اندازه‌شناسی داده‌های زیادی تولید می‌کند که می‌تواند در یک کارخانه هوشمند صنعت 4.0 یا محیط تولید هوشمند، که در آن تولید مبتنی بر داده‌ها معمول است، استفاده شود.

سنجش کوانتومی در هوافضا

صنایع دفاعی، امنیتی و هوافضا بیشترین پتانسیل را برای نوآوری دارند. سیستم‌ها و روش‌های حسگرهای جدید و همچنین پیشرفت‌های بیشتر، به‌طور مداوم یکدیگر را در مسابقه‎ای برای عملکرد بهتر تشویق می‌کنند. به لطف اکتشافات فناوری‌های کوانتومی ، آشکارسازهای تک فوتون، دستگاه‌های شمارش فوتون، ساعت‌های رویداد با وضوح بالا و کنترل‌کننده‌ها همگی توسعه یافتند.

فناوری نوری برای بهبود عملکرد سیستم‌های ارتباطی فضای آزاد استفاده می‌شود، زیرا افزایش تقاضا برای فناوری‌های اطلاعاتی و ارتباطی – مانند اینترنت پرسرعت، ویدئو کنفرانس و پخش زنده – نیاز به این سیستم‌ها را افزایش می‌دهد. در ارتباطات فضای آزاد، آشکارسازهای تک فوتونی به دلیل دقت و شدت بالاتر، دقت و شدت بیشتری را ارائه می‌دهند.

لیدار به دلیل توانایی‌اش در تشخیص دقیق و تعیین کمیت نور منعکس‌شده و تولید نمایش‌های سه بعدی از اهداف، در بسیاری از بخش‌ها کاربرد پیدا کرده است. شرکت‌های دفاعی، امنیتی و هوافضا اغلب به سیستم‌های بردی متکی هستند که دامنه وسیعی را در بر می‌گیرند و می‌توانند اهداف و اشیاء را در شرایط نامطلوب شناسایی و مکان‌یابی کنند. تکنیک تشخیص تک فوتون با یک سیستم برچسب‌گذاری زمانی با وضوح بالا برای استفاده در کاربردهای لیدار همراه است.

استفاده از مسافت‌یاب لیزری به هیچ صنعت یا حوزه‌ای محدود نمی شود، بلکه در زمینه‌هایی مانند ورزش، نظامی و امنیت نیز یافت می‌شود. در کاربردهای نظامی که نیاز به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق دارند، از فاصله‌یاب‌های لیزری توسط تک‌تیراندازها و نیروهای توپخانه استفاده می‌شود تا فاصله دقیق تا اهدافشان را به آنها بدهد که فراتر از برد نقطه‌ای است،

تولیدکنندگان به‌طور مداوم دامنه گیرنده‌های خود را افزایش می‌دهند تا نوآوری را تشویق کنند و به دلیل وجود سایر منابع نور، حساسیت بهتر و خوانش اشتباه کمتری را برای گیرنده‌ها فراهم کنند. چنین مشکلاتی به دلیل قابلیت تشخیص تک فوتون فناوری‌های کوانتومی قابل‌حل است.

تصویربرداری کوانتومی پیشرفته

به دلیل پیشرفت در سیستم‌های تصویربرداری کوانتومی، امکانات جدیدی در تصویربرداری و همچنین یافتن برد در نور کم به وجود خواهد آمد. ابزارهای علمی مختلف، از جمله میکروسکوپ و تلسکوپ، احتمالاً در چند سال آینده در نظارت نظامی و محیطی نیز مورد استفاده قرار خواهند گرفت. پیش‌بینی می‌شود تصویربرداری کوانتومی در چند سال آینده کاربرد پزشکی نیز پیدا کند.

در نتیجه، می‌توان گفت که محاسبات کوانتومی، پتانسیل بهبود بنیادی مزایای نتیجه‌گیری مبتنی بر داده را دارد و ممکن است منجر به بازده سرمایه‌گذاری بیشتر شود. علاوه بر این فناوری‌های کوانتومی با کمک به هوش‌مصنوعی برای حرکت در مواد تحلیل نشده، ممکن است از یادگیری ماشینی  نیز پشتیبانی کند. این موضوع ممکن است برای صنایعی مفید باشد که می‌خواهند اطلاعات را به روشی منسجم و برای تصمیم‌گیری، به‌طور کامل درک کنند. افزودن محاسبات کوانتومی به فناوری‌های اصلی در صنعت 4.0 مانند روباتیک، هوش مصنوعی، واقعیت مجازی و اینترنت اشیا می‌توانند شرکت‌ها را قادر سازند تا چابکی رقابتی خود را بهبود بخشند، تصمیم‌های سریع‌تری بگیرند، نگرانی‌های مربوط به کیفیت محصول را کاهش دهند و زنجیره تامین را تا حد زیادی ساده‌سازی کنند.

منبع

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.