ایران چگونه به استقبال بازار ۱۰۶ میلیارد دلاری فناوری کوانتوم می‌رود؟

اجتماعی به گزارش باور خبر به نقل از خبرگزاری تسنیم، فناوری‌های کوانتومی به عنوان یکی از پیشران‌های کلیدی علم و فناوری آینده شناخته می‌شوند و «ایران» با حمایت و پیگیری معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست‌جمهوری، اقدام به ایجاد سه آزمایشگاه پیشرفته آموزشی در دانشگاه‌های صنعتی شریف، اصفهان و شهید بهشتی کرده است. این اقدام در راستای بهبود زیرساخت‌ها و روش‌های نوین آموزش تجربی این فناوری در سطح جهانی صورت گرفته است.

فناوری‌های کوانتومی به عنوان یکی از حوزه‌های راهبردی علم و فناوری در جهان، می‌توانند تحولی در زمینه‌های محاسبات، ارتباطات امن، رمزنگاری و حسگری ایجاد کنند. دستیابی به ظرفیت‌های علمی و فناورانه در این حوزه، نیازمند پژوهش‌های بنیادین و تربیت نیروی انسانی متخصص است که بتوانند با تجهیزات پیشرفته کار کنند و تجربه عملی پدیده‌های کوانتومی را کسب نمایند. به همین دلیل، دانشگاه‌ها و مراکز علمی کشورهای پیشرو، توسعه آزمایشگاه‌های تخصصی آموزش تجربی کوانتوم را در دستور کار خود قرار داده‌اند.

در این راستا، معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست‌جمهوری با حمایت از ایجاد و راه‌اندازی سه آزمایشگاه پیشرفته آموزشی اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی در دانشگاه‌های صنعتی شریف، اصفهان و شهید بهشتی، گامی مهم در جهت توسعه زیرساخت‌های آموزش عملی این فناوری در کشور برداشته است. این آزمایشگاه‌ها امکان انجام آزمایش‌های تخصصی و بررسی مستقیم پدیده‌های کوانتومی را برای دانشجویان فراهم می‌کنند و به تربیت نیروی انسانی توانمند در عرصه‌های پژوهشی و فناورانه این حوزه کمک می‌کنند.

هم‌زمان با پیشرفت‌های علمی و آموزشی در زمینه کوانتوم، توسعه آزمایشگاه‌های آموزشی فناوری‌های کوانتومی در سال‌های اخیر توجه دانشگاه‌ها و مراکز علمی جهانی را به خود جلب کرده است. با افزایش کاربردهای کوانتوم در زمینه‌های مختلف، نیاز به تربیت متخصصانی که علاوه بر تسلط بر مبانی نظری، مهارت‌های آزمایشگاهی و توانایی کار با سامانه‌های واقعی را داشته باشند، اهمیت بیشتری پیدا کرده است. در این راستا، دانشگاه‌هایی نظیر دانشگاه واشینگتن در آمریکا، دانشگاه علم و فناوری چین، دانشگاه دولتی مسکو در روسیه، دانشگاه میلان در ایتالیا و دانشگاه کپنهاگ در دانمارک، برنامه‌ها و زیرساخت‌هایی برای آموزش عملی مفاهیم کوانتومی توسعه داده‌اند.

به عنوان مثال، آزمایشگاه‌های آموزشی دانشگاه دولتی مسکو امکان بررسی تجربی پدیده‌هایی مانند برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و آزمون نامساوی بل را فراهم می‌کنند و آزمایش‌های مرتبط با توزیع کلید کوانتومی و توموگرافی حالت‌های کوانتومی را نیز در برنامه‌های آموزشی خود دارند. در دانشگاه واشینگتن، آزمایشگاه‌های آموزشی تخصصی برای مطالعه پدیده‌هایی مانند درهم‌تنیدگی فوتونی و آزمون نامساوی بل طراحی شده‌اند. دانشگاه میلان نیز در برنامه آزمایشگاهی اپتیک کوانتومی خود، موضوعاتی مانند آشکارسازی تک‌فوتونی و تولید حالت‌های درهم‌تنیده را آموزش می‌دهد.

در چنین شرایطی، ایجاد آزمایشگاه‌های تخصصی در دانشگاه‌های ایران، بستر مناسبی برای آموزش عملی مفاهیم و روش‌های تجربی مشابه با آنچه در دانشگاه‌های بین‌المللی تدریس می‌شود، فراهم می‌کند. این اقدام، علاوه بر گسترش زیرساخت‌های دانشگاهی، می‌تواند فرصتی جدید برای توسعه مهارت‌های تجربی، افزایش توان پژوهشی دانشجویان و تقویت ارتباط میان آموزش دانشگاهی و نیازهای آینده فناوری‌های کوانتومی ایجاد کند.

تحلیل سیاست‌گذاری کوانتومی در ایران و سند ملی توسعه راه‌اندازی سه آزمایشگاه پیشرفته در دانشگاه‌های برتر کشور، اقدامی منفرد و واکنشی نیست؛ بلکه نشان‌دهنده یک استراتژی کلان حاکمیتی است که در قالب «سند ملی توسعه علوم و فناوری‌های کوانتومی» تدوین و به تصویب شورای عالی انقلاب فرهنگی رسیده است. این سند که افق ده‌ساله‌ای را برای کشور ترسیم می‌کند، نقشه راهی جامع برای گذار از پژوهش‌های صرفاً بنیادین به سمت تجاری‌سازی و بومی‌سازی تجهیزات کوانتومی ارائه می‌دهد.

برای مدیریت و راهبری این اکوسیستم نوظهور، ستادی تحت عنوان «ستاد علوم و فناوری‌های کوانتومی» زیر نظر معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست‌جمهوری تشکیل شده است. فلسفه وجودی این نهاد، تمرکز بر حمایت مالی، تسهیل مقررات و ایجاد هماهنگی میان نهادهای دانشگاهی، پژوهشگاه‌ها و صنایع پیشرفته است. یکی از چالش‌های اصلی فناوری کوانتوم، هزینه‌های بالای زیرساخت‌هاست. بر اساس اهداف کمی مندرج در سند ملی، برنامه‌ریزی شده است که در یک بازه زمانی سه‌ساله، حجم سرمایه‌گذاری کشور در این حوزه به ۵۰ میلیون دلار و در افق ده‌ساله به حدود ۱۴۰ میلیارد تومان (یا معادل ارزی آن در پروژه‌های بین‌المللی) برسد.

در این اکوسیستم جدید، شاخص‌های ارزیابی پیشرفت، تنها به انتشار مقالات علمی محدود نمی‌شود. برخی از مهم‌ترین اهداف کمی سند ملی در افق سه‌ساله که ضرورت حیاتی ایجاد آزمایشگاه‌های عملی را توجیه می‌کند، به شرح زیر است: ۱. رتبه ایران در ثبت اختراع بین‌المللی کوانتوم؛ هدف‌گذاری‌شده: رتبه ۳ در منطقه/جهان. ۲. حجم سرمایه‌گذاری کشور در توسعه کوانتوم؛ هدف‌گذاری‌شده: ۵۰ میلیون دلار. ۳. تعداد استانداردهای ملی تعریف‌شده در حوزه کوانتوم؛ هدف‌گذاری‌شده: صفر به سطح مطلوب متناسب با فاز اول. ۴. پروژه‌های مشترک میان دانشگاه‌ها و صنایع؛ هدف‌گذاری‌شده: حداقل ۶ میلیون دلار ارزش قرارداد.

علاوه بر تأمین مالی سخت‌افزاری، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری نیز برنامه‌هایی برای تخصیص بورسیه‌های هدفمند در نظر گرفته است. بر اساس پیشنهادهای مطرح‌شده در شورای عالی عتف، از میان دو هزار بورسیه اختصاص‌یافته به فناوری‌های نوین، سهمی معادل ۵۰۰ نفر برای جذب نخبگان در رشته‌های مرتبط با کوانتوم در نظر گرفته شده است. این پشتوانه سیاستی نشان می‌دهد که ایجاد شبکه آزمایشگاهی، بخشی از یک پازل بزرگتر برای جلوگیری از عقب‌ماندگی کشور در رقابت جهانی و حفظ امنیت ملی در دهه آینده است.

معماری شبکه آزمایشگاهی سه‌گانه و ظرفیت‌های بومی توزیع زیرساخت‌های جدید آموزشی در سه دانشگاه برتر کشور، با رویکردی هدفمند و بر اساس نقاط قوت انباشته‌شده در دانشکده‌های فیزیک و مهندسی این دانشگاه‌ها طراحی شده است. این شبکه سه‌گانه، امکان پوشش جامع از مفاهیم اطلاعات نوری تا حسگرهای پیشرفته را فراهم می‌کند. دانشگاه صنعتی شریف، با افتتاح آزمایشگاه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی به عنوان یکی از بازوهای اصلی این شبکه عمل می‌کند. این آزمایشگاه که با حمایت معاونت علمی ریاست‌جمهوری راه‌اندازی شده است، امکان انجام ۱۰ آزمایش پایه و بنیادین مکانیک کوانتوم را برای دانشجویان فراهم می‌سازد.

قرار است از ترم‌های تحصیلی آینده، آموزش‌های این مرکز به عنوان بخش عملی دروس مشترک میان دانشکده‌های فیزیک و مهندسی کامپیوتر (نظیر درس دو واحدی مبانی اطلاعات کوانتومی) ارائه شود. دانشگاه شهید بهشتی، قطب دیگر این شبکه است که تمرکز خود را بر روی حوزه استراتژیک «حسگرها و تصویربرداری کوانتومی» قرار داده است. حسگرهای کوانتومی، به دلیل توانایی بی‌نظیرشان در اندازه‌گیری میدان‌های بسیار ضعیف، مرزهای تصویربرداری پزشکی و علوم مواد را جابجا کرده‌اند.

آزمایشگاه این دانشگاه با تجهیز به کیت‌های تخصصی تصویربرداری کوانتومی، زمینه را برای فعالیت‌های پژوهشی با قابلیت تجاری‌سازی صنعتی و پزشکی فراهم می‌آورد. در مرکز کشور، دانشگاه اصفهان از طریق «مرکز نوآوری علوم و فناوری‌های کوانتوم» (CQST) نقش‌آفرینی می‌کند. این دانشگاه با برخورداری از ۴ کیت آزمایشگاهی بسیار پیشرفته، امکان انجام ۹ آزمایش تخصصی را مهیا کرده است. نکته قابل توجه در توسعه زیرساخت‌های دانشگاه اصفهان، ورود سرمایه بخش خصوصی است؛ جایی که علاوه بر حمایت‌های دولتی، بالغ بر ۵۰ میلیارد ریال از سوی فعالان اقتصادی برای تجهیز و تجاری‌سازی این مرکز سرمایه‌گذاری شده است که نشانگر بلوغ اکوسیستم نوآوری در این منطقه است.

تشریح فنی کارکرد آزمایشگاه‌ها (پیوند فیزیک نظری و تجربی) یکی از نقایص سیستم آموزش عالی در حوزه‌های پیشرفته، تمرکز بیش از حد بر فرمول‌های ریاضی و انتزاعی بوده است. کارکرد اصلی آزمایشگاه‌های معرفی‌شده، تبدیل ریاضیات پیچیده مکانیک کوانتوم به پدیده‌های قابل مشاهده و ملموس است. کیت‌های آموزشی پیشرفته (که در مقیاس جهانی توسط شرکت‌هایی نظیر Thorlabs و Qutools توسعه یافته و الگوی این آزمایشگاه‌ها هستند)، امکان درک عمیق پدیده‌ها را فراهم می‌کنند.

در ادامه، مهم‌ترین فرآیندهایی که دانشجویان در این آزمایشگاه‌ها فرا می‌گیرند، با زبانی روشن و کاربردی تشریح شده است: الف) تولید فوتون‌های درهم‌تنیده با فرایند SPDC؛ سنگ‌بنای فناوری ارتباطات کوانتومی، توانایی تولید فوتون‌هایی است که وضعیت آن‌ها به یکدیگر گره خورده است. در آزمایشگاه، این کار از طریق فرایندی به نام «تبدیل پارامتری خودبه‌خودی به پایین» (Spontaneous Parametric Down-Conversion یا SPDC) انجام می‌شود. دانشجو یک پرتو لیزر با انرژی بالا (مثلاً نور آبی با طول موج ۴۰۵ نانومتر) را به یک کریستال نوری غیرخطی (مانند کریستال BBO) می‌تاباند. در داخل کریستال، برخی از فوتون‌های پرانرژی شکافته شده و به دو فوتون با انرژی کمتر (مثلاً ۸۱۰ نانومتر) تبدیل می‌شوند. این دو فوتون از نظر خصوصیات فیزیکی نظیر قطبش کاملاً درهم‌تنیده‌اند؛ به این معنا که اندازه‌گیری وضعیت یکی، فوراً وضعیت دیگری را مشخص می‌کند. دانشجو با استفاده از دستگاه‌های شمارشگر انطباق (Coincidence Counting)، دریافت همزمان این فوتون‌ها را در آشکارسازها رصد کرده و پدیده درهم‌تنیدگی را به صورت تجربی اثبات می‌کند.

ب) توزیع کلید کوانتومی (QKD) و پروتکل BB84؛ محاسبات کوانتومی در آینده قادر خواهند بود رمزنگاری‌های سنتی بانک‌ها و زیرساخت‌های اینترنتی را در هم بشکنند. راهکار مقابله با این تهدید، «توزیع کلید کوانتومی» (QKD) است که ارتباطی کاملاً امن و غیرقابل هک را تضمین می‌کند. در آزمایشگاه‌های جدید، دانشجویان با استفاده از کیت‌های آموزشی، پروتکل مشهور BB84 را پیاده‌سازی می‌کنند. در این آزمایش، یک طرف (آلیس) اطلاعات را با استفاده از زوایای مختلف قطبش فوتون‌ها کدگذاری کرده و برای طرف دیگر (باب) می‌فرستد. طبق قوانین کوانتوم (قضیه عدم امکان کپی‌برداری)، اگر شخص سومی بخواهد در میانه راه فوتون‌ها را بخواند، حالت آن‌ها به طور بازگشت‌ناپذیری تغییر کرده و نویز ایجاد می‌شود. دانشجویان با انجام این آزمایش یاد می‌گیرند که چگونه می‌توانند کانال‌های مخابراتی ضدشنود طراحی کنند.

ج) آزمون نامساوی بل (Bell’s Inequality Test)؛ شاید یکی از جذاب‌ترین لحظات برای دانشجویان، بازآفرینی دعوای علمی تاریخی میان آلبرت انیشتین و نیلز بور باشد. انیشتین معتقد بود که ذرات دارای «متغیرهای پنهان محلی» هستند که باعث می‌شود رفتار آن‌ها قابل پیش‌بینی باشد، در حالی که بور به ماهیت کاملاً تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی رفتار ذرات اعتقاد داشت. این آزمایش به دانشجویان امکان می‌دهد تا با مشاهده نتایج، به درک بهتری از مبانی نظری کوانتوم دست یابند.