اپتیک و کوانتوم

حوزه های فعالیت ستاد

همانطور که از نام ستاد توسعه فناوری های اپتیک و کوانتوم قابل استنباط است، این ستاد در دو حوزه کلی فناوری های مرتبط با اپتیک، فوتونیک و لیزر و همچنین فناوریهای کوانتومی مانند رایانش و محاسبات کوانتومی، مخابراتی کوانتومی، حسگرها و... فعال است. در حوزه اپتیک زمینه های فعالیت این ستاد در زیر بیان شده است که بر اساس نقشه راه ستاد و نیازهای کشور، برخی از زمینه ها محوری تر بوده و تمرکز بیشتری بر روی آنها وجود دارد و برخی دیگر نیز اگرچه ممکن است در اولویت های بالای ستاد قرار نگیرند، اما این ستاد از طرح های مرتبط با آن ها نیز استقبال می کند.

زمینه های فعالیت ستاد در حوزه اپتیک، فوتونیک و لیزر

• لیزر و منابع نوری:
  

شامل حمایت از تولید انواع لیزرها با کاربری مشخص، منابع نوری مورد استفاده در روشنایی و...

• اندازه گیری، سنجش و آشکارسازی:

شامل انواع حسگرهای فوتونیکی، سامانه های بینایی ماشین، سنجش از دور، سامانه های تصویربرداری، طیف سنجی، سنجش و کنترل در خط تولید صنایع و...

• بیوفوتونیک:

شامل انواع سامانه های تصویربرداری زیستی، میکروسکوپ ها، حسگرهای زیستی، سامانه های آنالیز و تشخیص طبی (بر پایه استفاده از نور)، زیست مواد تابشگر نور، سنجشگرهای آلودگی زیست محیطی و...

• اپتیک و قطعات نوری:

شامل ساخت انواع قطعات خاص اپتیکی (مانند عدسی ها، فیلترهای نوری، آینه ها، موجبرها و...)، مدارهای مجتمع نوری، اپتومکانیک خاص، تولید ابزارهای خاص ساخت قطعات اپتیکی و... 

• مخابرات نوری:

شامل ساخت فیبرهای نوری خاص، دستگاه های اندازه گیری مسیر انتقال داده، انواع قطعات مرتبط با فیبرنوری، سامانه های دستکاری و یا تولید فیبرنوری و قطعات وابسته و...

• فوتوولتائیک و مواد فوتونیکی:

توسعه و افزایش بهره وری انواع سلول های خورشیدی، تولید انواع کریستال های فوتونیکی، نانو ذرات فوتونیکی، لایه های دو بعدی و سه بعدی نورتاب و یا آشکارساز نور، توسعه سامانه های تولید مواد فوتونیکی و...

• تراهرتز:

ساخت منابع تولید امواج تراهرتز و همچنین آشکارسازهای مرتبط، ساخت سامانه های تصویربرداری، طیف سنجی و مخابراتی تراهرتز و..

• پلاسما:

شامل ساخت انواع سامانه های درمانی و زیبایی، افزایش بهره وری بذر، آلودگی زدایی محصولات کشاورزی و مواد غذایی، رنگ آمیزی و افزایش رنگ پذیری منسوجات و سطوح پلیمری، تغییر خواص الکتروستاتیکی سطوح و...

زمینه های فعالیت ستاد در حوزه اپتیک و کوانتوم

•  رایانش و اطلاعات کوانتومی:

تا به حال بیش از ده روش برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی پیشنهاد شده است. هر کدام از این روش‌ها معایب و مزایای مخصوص به خود را دارند. از مهم‌ترین روش‌های ساخت رایانه‌ی کوانتومی می‌توان به روش‌های ابررسانایی، یون‌های به دام افتاده، اتم‌های خنثی، مدارهای مجتمع فوتونیکی، NMR، بر مبنای الماس، Annealing، توپولوژیک، و نیمه‌رسانا(سیلیکونی)  اشاره کرد.

 همچنین یکی از حوزه‌های مورد توجه در این قسمت، مباحث مربوط به برنامه‌نویسی و نرم‌افزار کوانتومی است. تا به حال الگوریتم‌های کوانتومی بسیاری برای کاربردهای مختلف پیشنهاد شده و همچنان با سرعت زیادی در حال توسعه است. برخی از مهم‌ترین نرم‌افزارهای کوانتومی شامل

Quantum Neural Network(QNN), Variational Quantum Boltzmann machines (QBM), Variable depth quantum circuits (vVQC)   , Hybrid quantum autoencoders (HQA, Quantum reservoir computing (QRC, Quantum multiclass classifier (QMCC, Support vector machines with a quantum kernel estimator (QSVM-Kernel, Hybrid k-neighbours-nearby model (HKNN, Quantum generative adversarial networks (QGAN, QAOA, VQE

است.

این الگوریتم‌ها در شاخه‌های مختلفی مانند زیست‌پزشکی، دارویی و شیمی، مدلسازی مالی، بهینه‌سازی زنجیره تامین، پردازش زبان طبیعی، امنیت سایبری، مدل‌سازی اقلیم، بهینه‌سازی انرژی، علم فیزیک و … کاربرد دارند.
 همچنین نرم‌افزارهای مرتبط با کامپیوترهای کوانتومی نیز یکی دیگر از شاخه‌های فعالیت در این حوزه است. منظور از نرم‌افزار کوانتومی برنامه‌هایی است که برای توسعه و اجرای الگوریتم‌های کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نرم‌افزارها مجموعه‌ای از کتابخانه‌ها، زبان‌ها و ابزارهای برنامه‌نویسی هستند که برای توسعه الگوریتم‌های کوانتومی و شبیه‌سازی آن‌ها در کامپیوترهای کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نرم‌افزارها به ما این امکان را می‌دهند تا الگوریتم‌های پیچیده‌تر و سیستم‌های بزرگتر را برای انجام محاسبات کوانتومی در کامپیوترهای کوانتومی و سیستم‌های شبیه‌سازی اجرا کنند. از انواع برنامه‌های کوانتومی می‌توان به Qiskit، Forest/ PyQuil، Cirq, Openfermion، Q#، Strawberry Fields & PennyLane، ProjectQ، Ocean، t|ket> اشاره کرد.

کارگروه رایانش و اطلاعات کوانتومی در ستاد اپتیک و کوانتوم وظیفه‌ی تهیه و راهبری نقشه‌ی راه متناسب با کشور ایران با همکاری نهادهای ذینفع را بر عهده دارد. مهم‌ترین هدفی که در این کارگروه دنبال می‌شود کم کردن اختلاف فناوری میان ایران و کشورهای پیش‌رو در این حوزه است. این هدف جز با کمک متخصصین فعال در دانشگاه‌ها و ارتباطات بین‌المللی محقق نخواهد شد. بنابراین ستاد باید در راستای ایجاد کردن ارتباط سازنده با متخصصین دانشگاهی و بین‌المللی به صورت ویژه تلاش کند. همچنین ایجاد زیرساخت‌های مورد نیاز برای توسعه‌ی هر کدام از روش‌های یاد شده مطابق با یک نقشه‌ی راه بهینه یکی دیگر از وظایف ستاد است که باید با همکاری به سایر نهادهای کشور اتفاق افتد.

•  ارتباطات کوانتومی:

ارتباطات کوانتومی به دلیل ارتباطی که با امنیت کشورها دارند، به سرعت باید در کشور مورد توجه قرار گرفته و توسعه یابند. خوش‌بختانه تا به حال فعالیت‌های خوبی در این حوزه توسط متخصصین توانمند داخلی صورت گرفته و نیاز به حمایت بیشتر برای دست‌یابی به روش‌های مختلف ارتباطات کوانتومی و ایمن دارند. دو روش کلی برای توسعه‌ی ارتباطات کوانتومی وجود دارد: متغیرهای گسسته و متغیرهای پیوسته. برای هر کدام از این روش‌ها پروتکل‌های مختلفی پیشنهاد شده است. به دلیل امنیتی بودن این حوزه، لازم است که تجهیزات آن در کشور توسعه یابند. یکی دیگر از دلایل بومی‌سازی تجهیزات توزیع کلید کوانتومی، کاهش قیمت دستگاه‌های تولید داخل است. ستاد باید با کمک نهاد‌های مربوط به این حوزه، در آینده‌ای سه ساله یک شبکه‌ی بومی و محدود توزیع کلید کوانتومی میان نقاط حساس به وجود آورد.

•  حسگرهای کوانتومی:

خوشبختانه متخصصین داخلی و توانمند در راستای رسیدن به برخی از حسگرهای مهم کوانتومی تلاش خود را آغاز کرده‌اند. هر حسگر کوانتومی روش‌های ساخت متفاوتی دارد که متناسب باهر روش ساخت، کاربرد آن‌ها نیز می‌تواند متفاوت باشد. همچنین میزان آمادگی هر کدام از این حسگرها نیز متفاوت است. ستاد باید بتواند با طراحی یک نقشه‌ی راه متناسب در آینده‌ای ۵ساله، با حمایت از متخصصین حسگرهایی قابل رقابت در بازار بین‌المللی به وجود آورد.