Kuantum Mühendisliği Özeti

Kuantum mühendisliği, kuantum mekaniğinin yasalarından yararlanan teknolojilerin geliştirilmesidir. Kuantum mühendisliği, kuantum sensörleri veya kuantum bilgisayarlar gibi kuantum teknolojilerinin geliştirilmesinde kuantum mekaniğini bir araç olarak kullanır.

Günümüzde kullanılan birçok cihaz, kuantum mekaniksel etkilere dayanmakta ve tıp, optik iletişim, yüksek hızlı internet ve yüksek performanslı bilgi işlem gibi alanlarda toplumu kökten değiştirmiştir. Bizi lazerlere, MR görüntüleyicilere ve transistörlere götüren teknolojik gelişmelerin ardından, kuantum teknolojilerinin ikinci bir dalgasının da benzer şekilde toplumu etkilemesi beklenmektedir. Bu yeni teknolojilerin, son yüzyılda atom altı sistemleri anlama ve kontrol etme konusunda kaydedilen ilerlemeye dayanarak kuantum tutarlılığından yararlanması beklenmektedir. Kuantum mekaniksel etkiler, kuantum sensörleri ve yeni görüntüleme teknikleri, güvenli iletişim (kuantum internet) ve kuantum bilgi işlem dahil olmak üzere geniş kapsamlı uygulamalara sahip yeni teknolojilerde bir kaynak olarak kullanılmaktadır.

Tarihçe

Kuantum teknolojisi alanı, 1997 yılında Gerard J. Milburn'un bir kitabında incelenmiştir. Bunu 2003'te Milburn ve Jonathan P. Dowling'in bir makalesi ve aynı yıl David Deutsch'un ayrı bir yayını izlemiştir. Kuantum mekaniğinin uygulaması, lazer sistemleri, transistörler ve yarı iletken cihazların yanı sıra MR görüntüleyicileri gibi diğer cihazlarda da kendini göstermiştir. Birleşik Krallık Savunma Bilim ve Teknoloji Laboratuvarı (DSTL), bu cihazları "kuantum 1.0" olarak gruplandırarak, "kuantum 2.0" olarak adlandırdığı cihazlardan ayırmıştır. Bu, süperpozisyon ve dolaşıklık etkilerini kullanarak aktif olarak kuantum durumları oluşturan, işleyen ve okuyan cihaz sınıfının bir tanımlamasıdır.

2010'dan itibaren, Birleşik Krallık Ulusal Kuantum Teknolojileri Programı gibi birden fazla hükümet, dört kuantum "merkezi" oluşturan kuantum teknolojilerini keşfetmek için programlar oluşturmuştur. Bu merkezler, Singapur'daki Kuantum Teknolojileri Merkezi'nde ve topolojik bir kuantum bilgisayarı geliştirmek için bir Hollanda merkezi olan QuTech'te bulunmaktadır. 2016 yılında Avrupa Birliği, daha önceki Avrupa Gelecek ve Yükselen Teknolojiler Amiral Gemisi projelerine benzer büyüklükte olan 1 milyar Euro'luk, 10 yıllık bir mega proje olan Kuantum Teknoloji Amiral Gemisi'ni tanıtmıştır.

Aralık 2018'de Amerika Birleşik Devletleri, kuantum araştırması için yıllık 1 milyar ABD doları bütçe sağlayan Ulusal Kuantum Girişimi Yasası'nı kabul etti. Çin, 76 milyar Yuan (yaklaşık 10 milyar Euro) planlanan yatırımla dünyanın en büyük kuantum araştırma tesisini inşa ediyor. Hindistan hükümeti de Ulusal Kuantum Görevi kapsamında kuantum teknolojilerini geliştirmek için 5 yıl boyunca 8000 crore Rupi (yaklaşık 1,02 milyar ABD doları) yatırım yapmıştır.

Özel sektörde de büyük şirketler kuantum teknolojilerine çok sayıda yatırım yapmıştır. Google, D-wave sistemleri ve Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara gibi kuruluşlar, kuantum teknolojisi geliştirmek için ortaklıklar ve yatırımlar oluşturmuştur.

Uygulamalar

Güvenli İletişim

Kuantum güvenli iletişim, günümüzün kriptografi sistemlerini Shor algoritması gibi yöntemleri kullanarak kırabilecek kuantum bilgi işlem sistemlerinin ortaya çıkmasıyla "kuantum açısından güvenli" olması beklenen bir yöntemdir. Bu yöntemler arasında, iletimin herhangi bir şekilde engellemesinin kullanıcı tarafından fark edilmesini sağlayan, dolaşık ışık kullanarak bilgi iletme yöntemi olan kuantum anahtar dağıtımı (QKD) yer almaktadır. Bir diğer yöntem ise kuantum rastgele sayı üreteci olup, yalnızca rasgeleliği taklit eden kuantum olmayan algoritmaların aksine, gerçekten rastgele sayılar üretebilmektedir.

Bilgisayar

Kuantum bilgisayarların, optimizasyon ve makine öğrenimi gibi bilgi işlem alanlarında önemli kullanımları olması beklenmektedir. Belki de büyük sayıları çarpanlara ayırmak için kullanılabilen ve veri iletimlerinin güvenliğini sağlamada önemli bir süreç olan Shor algoritmasını gerçekleştirme konusundaki beklenen yetenekleriyle tanınırlar.

Kuantum simülatörleri, bir kimyasal bileşik gibi gerçek dünya sistemlerini simüle etmek için tasarlanmış kuantum bilgisayar türleridir. Kuantum simülatörleri, her bileşen üzerinde tam kontrolün gerekli olmaması nedeniyle genel amaçlı kuantum bilgisayarlara kıyasla daha kolay inşa edilirler. Geliştirilmekte olan mevcut kuantum simülatörleri arasında optik kafeslerdeki ultra soğuk atomlar, hapsedilmiş iyonlar, süper iletken kubit dizileri ve diğerleri bulunmaktadır.

Sensörler

Kuantum sensörlerinin konumlandırma sistemleri, iletişim teknolojisi, elektrik ve manyetik alan sensörleri, yerçekimiölçümü ile inşaat mühendisliği ve sismoloji gibi jeofiziksel araştırma alanları dahil olmak üzere çok çeşitli alanlarda uygulama imkanı bulunmaktadır.

Eğitim Programları

Kuantum mühendisliği, kendi mühendislik disiplini haline gelmektedir. Kuantum endüstrisinin, şu anda eksik olan, kuantum hakkında bilgi sahibi iş gücüne ihtiyacı vardır. Şu anda, kuantum teknolojisi alanındaki bilim insanları çoğunlukla fizik veya mühendislik geçmişine sahiptir ve "kuantum mühendislik becerilerini" deneyimle kazanmışlardır. Yirmiyi aşkın şirketin katıldığı bir anket, kuantum endüstrisindeki yeni işe alımlarda gereken bilimsel, teknik ve "yumuşak" becerileri anlamaya yöneliktir. Sonuçlar, şirketlerin genellikle kuantum teknolojilerine aşina olan ve aynı zamanda mükemmel uygulamalı laboratuvar becerilerine sahip kişileri aradığını göstermektedir.

Birkaç teknik üniversite, bu alanda eğitim programları başlatmıştır. Örneğin, ETH Zurich, elektrik mühendisliği bölümü (D-ITET) ve fizik bölümü (D-PHYS) arasında ortak bir girişim olan Kuantum Mühendisliği'nde Yüksek Lisans programı başlatmıştır, EPFL kuantum fiziği ve mühendisliği alanındaki dersleri araştırma fırsatlarıyla birleştiren Kuantum Bilim ve Mühendislik alanında özel bir yüksek lisans programı sunmaktadır ve Waterloo Üniversitesi, Kuantum Hesaplama Enstitüsü içinde entegre lisansüstü mühendislik programları başlatmıştır. Delft Üniversitesi, Münih Teknik Üniversitesi, MIT, CentraleSupélec ve diğer teknik üniversitelerinde benzer programlar yürütülmektedir.

Lisans eğitiminde uzmanlaşma fırsatları seyrektir. Bununla birlikte, bazı kurumlar programlar sunmaya başlamıştır. Sherbrooke Üniversitesi kuantumda bilgisayar bilimleri alanında lisans derecesi sunmakta, Waterloo Üniversitesi elektrik mühendisliği programında kuantum uzmanlığı sunmakta, ve New South Wales Üniversitesi kuantum mühendisliği alanında lisans eğitimi sunmaktadır.

Öğrenciler sinyal ve bilgi işleme, optoelektronik ve fotonik, entegre devreler (bipolar, CMOS) ve elektronik donanım mimarileri (VLSI, FPGA, ASIC) konularında eğitim alırlar. Ayrıca, kuantum algılama, kuantum iletişim ve kriptografi ile kuantum bilgi işleme gibi yeni uygulamalara da maruz kalırlar. Kuantum simülasyon ve kuantum bilgi işlem ilkelerini öğrenirler ve sıkışmış iyonlar ve süper iletken devreler gibi farklı kuantum işleme platformlarına aşina olurlar. Uygulamalı laboratuvar projeleri, öğrencilerin kuantum cihazların pratik gerçekleştirilmesi için gereken teknik becerileri geliştirmelerine yardımcı olur ve kuantum bilimi ve teknolojilerindeki eğitimlerini pekiştirir.