التطبيقات التجارية على مدار الساعة الذرية
تتطلب شبكات الاتصال مصادر زمنية دقيقة ومستقرة وموثوقة. غالبًا ما يتم تقطيع المعلومات إلى أجزاء ، وإرسالها عبر شبكات متعددة ، وفي النهاية يتم تجميعها معًا عندما تصل إلى وجهتها. إذا كانت الشبكات المختلفة لا تنقل البيانات بنفس المعدل تمامًا ، فستفقد البيانات بسهولة ، أو تقل كفاءة الإرسال بشكل كبير. لذلك ، تحدد المعايير الدولية ذات الصلة الفرق في معدلات الإرسال للشبكات المختلفة.
حاليًا ، يمكن تلبية المعايير الحالية باستخدام توقيت القمر الصناعي. ومع ذلك ، من أجل زيادة موثوقية نقل البيانات وتحسين كفاءة الإرسال ، فإن إضافة ساعة أرضية أمر ضروري.
الآن ، تتزايد متطلبات المرور لشبكات الاتصالات المتنقلة بسرعة ويتزايد عدد أجهزة الوصول إلى الإنترنت بشكل كبير بسبب الاستخدام المكثف لأجهزة الاستشعار في إنترنت الأشياء. يضع هذا متطلبات أكثر صرامة على تقنيات التوقيت والمزامنة لشبكات الجيل التالي 5G وما بعدها.
تتطلب شبكات توصيل الطاقة أيضًا توقيتًا دقيقًا لضمان الحفاظ على تزامن مصادر الطاقة المختلفة عند دمجها ، لتجنب فقد الطاقة. تعتمد سلامة إمدادات الطاقة وموثوقيتها والقدرة على تحمل تكاليفها على بنية تحتية أكثر ذكاءً. في الشبكة الذكية ، أصبح التوقيت الدقيق والمزامنة أكثر أهمية من أي وقت مضى.
تحتاج الأسواق المالية أيضًا إلى إشارات زمنية دقيقة لمزامنة أنظمة التداول وتسجيل وقت حدوث كل صفقة. بناءً على التوسع السريع في معاملات الكمبيوتر ، تزداد أهمية المزامنة وإمكانية التتبع. يجب أن يعتمد جميع مستخدمي التداول على نفس الوقت القياسي من أجل منع المعاملات غير الصحيحة بشكل فعال وتوفير مسار تدقيق موثوق.
في المملكة المتحدة ، توفر خدمة NPLTime القائمة على أنظمة الألياف الضوئية للقطاع المالي إشارات وقت معتمدة لا تعتمد على الأقمار الصناعية. كما يتم تطوير أنظمة مماثلة في هولندا والولايات المتحدة.
تعتمد العديد من التجارب العلمية الأساسية أيضًا على ساعات عالية الاستقرار. على سبيل المثال ، حاليًا أكبر تلسكوب لاسلكي في العالم هو مشروع "تلسكوب صفيف الكيلومتر الراديوي" قيد الإنشاء. عند اكتماله ، سيحتوي التلسكوب على ما يصل إلى مليون هوائي ، مما يسمح لعلماء الفلك بمراقبة الكون بدقة غير مسبوقة.
لكي تعمل مصفوفة التلسكوب بشكل صحيح ، يجب مزامنة جميع مصادر الإشارة مع نفس التوقيت المحلي الدقيق.
يتطلب التنقيب عن النفط تحت سطح البحر أيضًا توقيتًا دقيقًا. في العملية الفعلية ، ترسل السفينة موجات صوتية إلى قاع البحر ، وينعكس الصوت عن طبقات الصخور المختلفة ويتم اكتشافه بواسطة شبكة من أجهزة الاستشعار في قاع السفينة. من خلال تسجيل وصول الموجات المنعكسة إلى المستشعر ، يمكننا بناء صورة ثلاثية الأبعاد للصخور والرواسب.
لذلك فإن جودة ودقة الصورة تعتمد على دقة الوقت. لا يمكن لإشارات توقيت القمر الصناعي اختراق الماء ، لذلك في الممارسة العملية ، غالبًا ما تستخدم مذبذبات بلورات الكوارتز.
ومع ذلك ، فإن دقة توقيت الكوارتز تختلف على نطاق واسع بمرور الوقت وتكون عرضة للاختلافات في درجات حرارة قاع البحر وسطح البحر. في المقابل، يمكن أن توفر الساعات الذرية الصغيرة توقيتًا أكثر ثباتًا على نطاق درجة حرارة أوسع.
تطوير تطبيقات الفضاء المختلفة لا ينفصل أيضًا عن التوقيت الدقيق. الآن ، السوق المحتمل لأقمار الاتصالات والملاحة ضخم. وفقًا لحساب المفوضية الأوروبية ، تبلغ ميزانية تطوير نظام Galileo العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية 2.4 مليار يورو ، وتعد الساعة الدقيقة أساسًا مهمًا لنظام الملاحة.
يجب أن تكون الساعات في الفضاء مستقرة ودقيقة مع انخفاض استهلاك الطاقة وصغر الحجم ، ولا تتطلب تصحيحات متكررة. يمكن للساعات الذرية أيضًا أن تعزز الملاحة في الفضاء السحيق. باستخدام ساعة ثابتة ودقيقة على المركبة الفضائية ، يمكن للمركبة الفضائية حساب بيانات الوقت والملاحة الخاصة بها ، مما يلغي الحاجة إلى ارتباط بيانات ثنائي الاتجاه مع الأرض ، مما يقلل من تكاليف المهمة ويحسن المناورات الحساسة للوقت (مثل الهبوط أو أخذ- القدرة.
في الواقع ، توقيت الفضاء أصعب بكثير من توقيت الأرض. يجب أن تتحمل أجهزة الساعة في الفضاء تسارعًا واهتزازات هائلة أثناء الإطلاق والمدار ، بالإضافة إلى التغيرات في درجات الحرارة والإشعاع الكوني الذي يكون أشد بكثير مما يحدث على الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لصعوبة إجراء الصيانة الأرضية ، فإن متطلبات الموثوقية لتوقيت الفضاء تكون أكثر صرامة من تلك الموجودة على الأرض.
على الجانب العسكري ، تعتبر أنظمة الرادار ذات الساعات الذرية أكثر حساسية وأسهل في التقاط الأهداف الصغيرة.
سيؤدي ظهور الساعات الذرية المحمولة إلى فتح أسواق جديدة أخرى. على سبيل المثال ، يمكننا قياس إمكانات الجاذبية الأرضية بدقة لتوحيد الإطار المرجعي للارتفاع. ستساعدنا الملاحظات طويلة المدى لإمكانات الجاذبية على فهم التفاعلات بين البيئة والمجتمع ، مثل كيف يتسبب تغير المناخ في ارتفاع وانخفاض مستويات سطح البحر.
تطور الساعات الذرية
الساعات الذرية المستخدمة في ضبط الوقت القياسي الدولي هي حجم المنزل وتقتصر على عدد قليل من مختبرات القياس الوطنية في العالم ، مثل المختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة (NPL). تم تسويق المشتقات القائمة على هذه الساعة الذرية القياسية في إصدارات مختلفة بأحجام وأوزان وقوة مختلفة. ومع ذلك ، فإن الساعات الذرية الأصغر كلها أقل دقة.
لحل هذه المشكلة ، يقوم المختبر الفيزيائي الوطني بالمملكة المتحدة ومختبرات أخرى حول العالم بتطوير جيل جديد من الساعات الذرية. يهدف البرنامج الوطني لتكنولوجيا الكم في المملكة المتحدة إلى استخدام نقاط القوة البحثية السابقة للمملكة المتحدة في هذا المجال لتسويق جيل جديد من الساعات الذرية التي تقلل وتقليل حجم ووزن واستهلاك الطاقة وتكلفة الساعات الذرية مع الحفاظ على الاستقرار والدقة ، والنتيجة هي ساعة مصغرة منخفضة التكلفة يمكن دمجها في الأنظمة الحالية والمستقبلية.
البصيرة التكنولوجية
يجب أن يعمل الجيل الجديد من الساعات "كمصدر طاقة طارئ" عندما يفشل توقيت القمر الصناعي في العمل بشكل صحيح. يجب على الوكالات الحكومية إلقاء نظرة شاملة على الاعتماد على أنظمة الأقمار الصناعية للخدمات الحيوية مثل الكهرباء والاتصالات والمصارف ، وتطوير المعايير التي تحدد المدة التي يجب أن تكون هذه الخدمات جاهزة للعمل عند فشل توقيت القمر الصناعي.
يحتاج أداء أجهزة الطوارئ أيضًا إلى تطوير المعايير ذات الصلة. يجب على مشغلي الاتصالات والمؤسسات المالية وشركات الطاقة ومقدمي الخدمات الرئيسيين الآخرين إثبات أن أنظمة الساعة الخاصة بهم تتوافق مع المعايير ذات الصلة.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن وضع الألياف الضوئية التي تربط القطاعات الرئيسية يساهم أيضًا في تطوير الساعات الذرية. بهذه الطريقة ، يمكن مقارنة كل ساعة ذرية بالتوقيت القياسي الدولي ، وبالتالي تحديد المشاكل في مرحلة مبكرة وتقليل الوقت المطلوب لتقديم الخدمة. يمكن أيضًا استخدام هذه الشبكات في التقنيات الجديدة مثل الاتصالات الكمومية.
ستتألف هذه الشبكة بالكامل من الألياف ، على عكس المنشآت الهجينة المصنوعة من الألياف النحاسية الشائعة اليوم. يجب أن توفر الشبكة أيضًا إشارة مستمرة وتضمن الأمان على المدى الطويل. سيوفر استكمال هذه الشبكة للمملكة المتحدة موارد فريدة للبحث والابتكار والتصنيع الراقي.
أخيرًا ، يمكن للحكومة أيضًا تعزيز تطوير الساعات الذرية من خلال دعم المشاريع الإيضاحية ، وحتى العمل كأول العملاء لجيل جديد من الساعات الذرية. على سبيل المثال ، يمكن للحكومة إنشاء مدينة تجريبية لتوضيح كيف يمكن للساعات الذرية أن تساعد في تمكين جيل جديد من البنية التحتية للاتصالات المتقدمة.
الاستشعار والقياس الكمومي
أصبح استخدام المستشعرات في منتجات التكنولوجيا اليومية منتشرًا بشكل متزايد ، كما هو الحال في مراقبة الحركة والصوت والضوء ، من مليارات أجهزة استشعار الحركة منخفضة التكلفة المضمنة في الهواتف المحمولة إلى التطبيقات في مجال الرعاية الصحية والأقمار الصناعية الأرضية للمنتجات المتطورة في النظام ، يمكن رؤية أجهزة الاستشعار في كل مكان.
بالمقارنة مع المنتجات التقليدية ، حققت أجهزة الاستشعار الكمومية "قفزة كبيرة إلى الأمام" في الأداء: يوجد أكثر من ترتيب واحد لتحسينات الحجم في الحساسية والدقة والاستقرار. لهذا السبب ، أصبحت سيناريوهات التطبيق أكثر تنوعًا ، مثل تسويق أجهزة الاستشعار الكمومية في المجالات المتطورة مثل الفضاء ، ومراقبة المناخ ، والبناء ، والدفاع الوطني ، والطاقة ، والطب الحيوي ، والأمن ، والنقل ، واستخدام الموارد المائية. .
إن تطوير أجهزة الاستشعار الكمومية ليس اختراقًا من نقطة واحدة في التكنولوجيا. فهو يدفع إنشاء وتحسين النظام البيئي بأكمله. من القياس الهندسي إلى تصور البيانات وتحليلها ، يظهر عدد كبير من فرص العمل في مختلف المجالات أن هذا الاتجاه كان بشكل متزايد.
كيف تعمل أجهزة الاستشعار الكمومية
تستخدم بعض أجهزة الاستشعار الكمومية الذرات لاستشعار التغييرات لأن الذرات يمكن التحكم فيها وقياسها بدقة. في نظرية الكم ، تسمح الحركة الشبيهة بالموجة للجسيمات مثل الذرات لها بالتمدد في الفضاء. في حالة التراكب ، يكون الكم حساسًا جدًا للبيئة المحيطة ، وهذه الميزة هي مفتاح استخدامه كمستشعر دقيق.
في مقاييس التداخل الذري ، على سبيل المثال ، تتجمع الذرات في أجسام صغيرة تشبه السحابة. تتحكم نبضات الليزر الدقيقة في حركة هذه الأشياء التي تشبه السحابة. إن طبيعة الذرات الشبيهة بالموجات تجعلها تتداخل مع بعضها البعض ، مثل حركة التموجات على سطح الماء ، فإذا تأثرت حركة هذه الذرات بالجاذبية فقط ، فسيكون إدراكها للجاذبية دقيقًا للغاية.
تستخدم معظم مستشعرات المجال المغناطيسي ذرات مضمنة في مواد مثل الماس و / أو السيليكون. من ناحية أخرى ، تستخدم المستشعرات الضوئية الفوتونات ، حتى تتمكن من اكتشاف الخصائص البصرية للجزيئات وقياس الآثار الكيميائية الباهتة. يمكننا أيضًا استخدام تقنية الكم لتحسين كفاءة القراءة لبعض الأجهزة الكلاسيكية مثل MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة).
في الوقت الحاضر ، يمكننا بالفعل استخدام أجهزة الاستشعار الكمومية لقياس معلمات الدقة مثل التسارع والجاذبية والوقت والضغط ودرجة الحرارة والمجال المغناطيسي. وفي المستقبل ، يمكن لأجهزة الاستشعار القائمة على التشابك الكمومي أن تخطو خطوة إلى الأمام من حيث الفعالية.
تطبيق السوق
إذا أخذنا المملكة المتحدة كمثال ، هناك أكثر من 73000 ممارس في مجال أجهزة الاستشعار والمعدات ذات الصلة ، ويبلغ متوسط المساهمة السنوية في الاقتصاد أكثر من 14 مليار جنيه إسترليني. تعتبر القيمة المشتقة من خدمة بيانات جهاز استشعار واحدة قيمة فلكية بالفعل ، لذا فإن أهمية دمج سلسلة الصناعة بأكملها أمر بديهي.
ومع ذلك ، فإن خيال المستشعرات الكمومية لا يتوقف عند هذا الحد: تطوير المستشعرات المغناطيسية الكمومية سيقلل بشكل كبير من تكلفة التصوير المغناطيسي للدماغ ، مما سيساعد في تعزيز هذه التقنية ؛ ونأمل أن تغير أجهزة الاستشعار الكمومية لقياس الجاذبية تصور الناس للتقاليد. الانطباع بأن عمل المسح تحت الأرض معقد ويستغرق وقتًا طويلاً ؛ حتى في مجال الملاحة ، فإن المناطق التي لا يمكن البحث عنها غالبًا بواسطة الأقمار الصناعية للملاحة هي المكان الذي يلعب فيه التنقل بالقصور الذاتي الذي توفره أجهزة الاستشعار الكمومية.
هندسة مدنية
غالبًا ما تكون عمليات المسح تحت الأرض باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً ، ولكنها ضرورية عند إنشاء بنية تحتية جديدة ، خاصة قبل بدء المشاريع الكبيرة مثل السكك الحديدية عالية السرعة ومحطات الطاقة النووية. في الواقع ، هناك العديد من البيئات الجوفية غير المستكشفة جيولوجيًا والتي تشكل مخاطر مثل المجاري والمناجم والحفر.
غالبًا ما تكون المعلومات غير الكافية مكلفة ، مع تأخيرات في المشروع وتجاوزات وإعادة التخطيط الروتيني. يتمثل نهج المملكة المتحدة في صيانة البنية التحتية في إنفاق 5 مليارات جنيه إسترليني سنويًا لحفر 4 ملايين حفرة في الطرق ، والسبب في ذلك هو أن الناس لا يعرفون بالضبط الموقع الدقيق لمنشآت تحت الأرض.
في الانطباع العام ، يجب إجراء أي تفتيش على الأرض ، دون الحاجة إلى حفر الحفر. ومع ذلك ، فإن أداء الرادارات الموجودة ، وأجهزة الكشف الإلكترونية ، ومقاييس المغناطيسية لا يمكن أن تحقق نتائج مثالية ، ومن الصعب اكتشاف الأشياء التي يزيد ارتفاعها عن بضعة أمتار تحت الأرض.
عندما يحدث هذا ، فإن الحل المعتاد هو استخدام تقنية استشعار الجاذبية ، لأنه يمكن تسجيل التغييرات الطفيفة في جاذبية أي جسم مدفون تحت الأرض وتعيينها إلى الجاذبية. لكن مشاكل أجهزة قياس الجاذبية التقليدية هي أن القراءات غير دقيقة وتستغرق وقتًا طويلاً وتتأثر بالاهتزازات الأرضية.
ولكن هناك مزايا واضحة لاستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية في قياسات الجاذبية: قراءات أسرع وأكثر دقة واكتشاف أعمق ومناعة من الاهتزازات الأرضية. لا بد أن التطبيق الواسع لهذه التكنولوجيا يلعب دورًا كبيرًا في تعزيز صناعة الهندسة المدنية.
منع المخاطر الطبيعية
أكثر من 5 ملايين أسرة في المملكة المتحدة معرضة لخطر الانهيار والهبوط ؛ تحتاج إدارة السكك الحديدية البريطانية أيضًا إلى مراقبة تراكم المياه حول خطوط السكك الحديدية في الوقت الفعلي لمنع حدوث انهيارات أرضية. من ناحية أخرى ، يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية القيام بعمل رائع في تحديد الأماكن على خريطة الجاذبية حيث يوجد خطر الانهيار وحيث يوجد الكثير من الماء.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لأجهزة الاستشعار الضوئية الكمومية أن تحدد المخاطر بسرعة مثل انسكاب النفط تحت السطح. كل هذا يعتمد على خصائص المسح السريع لأجهزة الاستشعار الكمومية ، والتي تجعل عمليات التفتيش الطبيعية ممكنة أيضًا.
استكشاف الموارد
يركز الوصول إلى الموارد الطبيعية مثل النفط والغاز على مكان استخراجها ، وهو سوق ضخم بقيمة 3 مليارات دولار في الولايات المتحدة. الشكل السائد حاليًا للاستكشاف هو الكشف عن الزلازل ، وهو أكثر فاعلية ، لكن الطريقة الأكثر تكلفة لقياس الجاذبية تستخدم فقط في الأماكن التي يكون فيها الناس أقل وعياً.
ولكن في الواقع ، يأتي جزء كبير من التكلفة العالية لقياس الجاذبية من تعديل المعدات ، والآن فإن ظهور مستشعرات MEMS المعززة كمياً يقلل من تشغيل ضبط المعدات ، بحيث يمكن تنفيذ عمل القياس بالكامل بشكل أسرع ، و حتى يتم تخفيض التكلفة. على عُشر.
النقل والملاحة
كلما زاد تطوير النقل ، زادت الحاجة إلى معرفة معلومات الموقع الدقيقة وظروف المركبات المختلفة ، الأمر الذي يتطلب أيضًا عدد المستشعرات التي تحملها السيارات والقطارات والطائرات ، مثل معدات الملاحة عبر الأقمار الصناعية وأجهزة استشعار الرادار وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية ، ستصبح أجهزة الاستشعار البصرية ، وما إلى ذلك ، قياسية بشكل تدريجي.
ومع ذلك ، فإن الحصول عليها ليس كافياً ، وسيواجه تطوير تقنية الاستشعار أيضًا تحديات جديدة. يجب أن تكون دقة تحديد المواقع والملاحة للمركبات والقطارات المستقلة في حدود 10 سنتيمترات ؛ يجب أن تكون أنظمة مساعدة السائق من الجيل التالي قادرة على مراقبة ظروف الطرق الخطرة المحلية على مستوى السنتيمتر في أي وقت. باستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية القائمة على الذرات الباردة ، لا يمكن لأنظمة الملاحة أن تمتلك معلومات موضعية دقيقة للسنتيمتر فحسب ، بل يجب أن تتمتع أيضًا بالقدرة على العمل في أماكن مثل تحت الماء وتحت الأرض وفي المباني البعيدة عن متناول أقمار الملاحة الصناعية.
في الوقت نفسه ، يتم تطوير أنواع أخرى من أجهزة الاستشعار الكمومية (مثل تلك التي تعمل في نطاق تيراهيرتز) التي يمكنها تقييم الطرق بدقة مليمترية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لمصادر الميكروويف القائمة على الليزر والتي تم تطويرها في الأصل للساعات الذرية أن تحسن نطاق العمل ودقة العمل لأنظمة رادار المطارات.
قياس الجاذبية
قياس الضوء غير مناسب لجميع أعمال التصوير ، وكمكمل بديل جديد ، يمكن أن يعكس قياس الجاذبية تغييرات طفيفة في مكان ما ، مثل المناجم القديمة التي يتعذر الوصول إليها ، والحفر ، والمياه الجوفية العميقة وأنابيب الغاز. بهذه الطريقة ، سيصبح التنقيب عن النفط ومراقبة منسوب المياه في غاية السهولة.
تتمتع مستشعرات الجاذبية الجديدة وتقنيات MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) المُحسَّنة الكمومية التي تم تطويرها باستخدام الذرات الباردة الكمومية بأداء أعلى من الأجهزة السابقة ولها تطبيقات تجارية أكثر أهمية.
ويتم أيضًا تصميم أجهزة MEMS منخفضة التكلفة ، والتي من المتوقع أن تكون بحجم كرة التنس وأن تكون أكثر حساسية بمليون مرة من مستشعرات الحركة المستخدمة في الهواتف الذكية. بمجرد أن تنضج التكنولوجيا ، سيكون من الممكن رسم خريطة لمناطق كبيرة من صور مجال الجاذبية.
لقد تقدمت مستشعرات MEMS على الأقل عدة مرات من حيث الحجم في قراءات التصوير الكمومي. طور باحثون من جامعتي غلاسكو وبريدجبورت كاشف Wee-g يمكنه استخدام مصادر الضوء الكمومية لتحسين دقة الجهاز ، مما يسمح باكتشاف الأجسام الأصغر - أو المساعدة في الانهيارات الثلجية ومخاطر الزلازل في عمليات الإنقاذ.
ستتمتع مستشعرات الذرة الباردة بأعلى مستوى من الدقة والفعالية من حيث التكلفة لا يمكن لأي تقنية أكثر تطوراً تجاوزه. تقوم جامعة برمنجهام حاليًا بتطوير مستشعرات الذرات الباردة RSK و e2v ، والتي سيتم استخدامها لقياسات الجاذبية اليومية. على سبيل المثال ، مساعدة صناعة البناء في تحديد الحالة التفصيلية تحت السطح ، وتقليل التأخيرات الهندسية بسبب المخاطر غير المتوقعة ، والتخلص من الاعتماد على التنقيب والحفر الباهظين.
في الفضاء ، يمكن لأجهزة استشعار الذرة الباردة أن تحقق اختراقات علمية جديدة من خلال اكتشاف موجات الجاذبية والتحقق من نظريات أينشتاين. بالطبع ، يمكن أيضًا تحقيق الملاحظات الروتينية لاستشعار الأرض عن بعد من خلال قياسات الجاذبية الدقيقة ، بما في ذلك تخزين المياه الجوفية والأنهار الجليدية والتغيرات في الصفائح الجليدية.
في جامعة جلاسكو ، يعمل الباحثون أيضًا على إنشاء تقنية فضائية تحويلية جديدة تستخدم مستشعرات MEMS للتحكم الدقيق في ارتفاع المركبات الفضائية ، مما سيساعد في تعزيز منافسة المملكة المتحدة لتكنولوجيا الأقمار الصناعية الصغيرة حول العالم.
الصحة الطبية
مرض عقلي: تقدر جمعية الزهايمر التكلفة الاقتصادية السنوية للخرف بحوالي 500 مليار جنيه إسترليني في جميع أنحاء العالم ، والعدد آخذ في الازدياد. عادةً ما يحد الشكل الحالي للتشخيص القائم على استبيانات المريض بشدة من اختيار خيارات العلاج ، ولا يمكن تحقيق نتائج أفضل إلا من خلال التشخيص والتدخل المبكر.
يدرس الباحثون تقنية تسمى تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) للتشخيص المبكر. لكن المشكلة تكمن في أن التكنولوجيا تتطلب حاليًا غرفًا محمية مغناطيسيًا وعمليات تبريد بالهيليوم السائل ، مما يجعل طرح هذه التقنية باهظ التكلفة. يمكن لمقياس المغنطيسية الكمي أن يعوض عن هذا العيب جيدًا ، فهو أكثر حساسية ، ولا يحتاج إلى التبريد والحماية ، والأهم من ذلك ، أن تكلفته أقل.
سرطان: تم استخدام تقنية تسمى التصوير المقطعي بالميكروويف لسنوات للكشف عن سرطان الثدي في وقت مبكر ، ويمكن أن تساعد أجهزة الاستشعار الكمومية في تحسين حساسية هذه التقنية ودقة عرضها. على عكس الأشعة السينية التقليدية ، لا يعرض التصوير بالميكروويف الثدي مباشرة للإشعاع المؤين.
بالإضافة إلى ذلك ، تتيح أجهزة الاستشعار الكمومية أيضًا إمكانية دراسة درجة الحرارة والمجالات المغناطيسية داخل الخلايا الحية على المستوى الذري ، مما يوفر أدوات جديدة للبحث الطبي.
مرض قلبي: غالبًا ما يُنظر إلى عدم انتظام ضربات القلب على أنه القاتل الأول في البلدان المتقدمة ، والسمة المرضية للمرض هي عدم انتظام ضربات القلب السريعة والبطيئة. يُنظر إلى التصوير المقطعي بالحث المغناطيسي ، والذي هو قيد التطوير حاليًا ، على أنه أداة لتشخيص الرجفان ودراسة آلية تكوينه. وسيعزز ظهور مقاييس المغناطيسية الكمية بشكل كبير تطبيق هذه التقنية في التطبيقات السريرية للتصوير ومراقبة المريض والجراحة. التخطيط ، وما إلى ذلك سيكون ذا فائدة كبيرة.
البصيرة التكنولوجية
أظهرت التجارب أن أجهزة الاستشعار الكمومية أكثر حساسية للجاذبية والدوران والمجالات الكهربائية والمغناطيسية من التقنيات التقليدية. وما نحاول القيام به الآن هو جعلها أكثر متانة وقابلية للحمل.
في عملية تسويق أجهزة الاستشعار الكمومية ، هناك نقطتان جديران بالملاحظة:
الحفاظ على التدفق السلس للمعلومات بين الأوساط الأكاديمية والصناعة.
تعزيز سلاسل التوريد التجارية وبناء ثقة السوق من خلال إظهار كيف يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية أن تحل مشاكل العالم الحقيقي.
هذه هي أهداف برنامج تكنولوجيا الكم الوطني في المملكة المتحدة. نتيجة لذلك ، نجح البرنامج في تسويق البحوث الأساسية. ومع ذلك ، تحجم العديد من الشركات عن إجراء تطوير كامل للمنتجات نظرًا لاحتمال عدم الاستقرار في تطبيق التكنولوجيا.
يجب على حكومة المملكة المتحدة إنشاء مركز ابتكار لاختبار أجهزة الاستشعار الكمومية وتطوير التطبيقات ذات الصلة. بمجرد تشكيل هذه المرافق ، ستوفر أرضًا خصبة لتطوير الخدمات الكمية ونظامًا بيئيًا للأعمال متجذرًا بعمق في المنطقة.
من الضروري أيضًا تدريب المهندسين على هذه التقنيات الجديدة ، ليس فقط حتى يتمكنوا من التفاعل مع المستخدمين والسوق ، ولكن الأهم من ذلك ، لفهم التحديات التي يواجهونها.
بالطبع ، من الفعّال أيضًا توجيه شركات التكنولوجيا للمنافسة الشرسة على المشاريع العامة ، وعند الضرورة ، يمكن أن تدفعها إلى ساحة المنافسة العالمية ، وسيجني الفائز فوائد اقتصادية ضخمة. ومن الأمثلة على ذلك أن الملاحين الكميين وأجهزة تصوير الجاذبية الكمومية قد أثارت اهتمامًا قويًا في الولايات المتحدة والصين وأوروبا ، ويمكن تطوير حلول مماثلة في مجالات مثل النقل والرعاية الطبية والوقاية من الكوارث.
الحوسبة والمحاكاة الكمومية
منذ ما يقرب من خمسة عقود ، يتضاعف عدد الترانزستورات الموجودة على رقاقة السيليكون كل عامين. يُعرف هذا "الاتجاه المتنامي" بقانون مور. اليوم ، يمكن لشريحة الكمبيوتر أن تحتوي على مليارات الترانزستورات ، كل منها بحجم 100 ذرة فقط.
دفع اكتشاف قانون مور النمو الهائل في كفاءة الحوسبة وصناعة تكنولوجيا المعلومات مثل الصاروخ. ومع ذلك ، فإن الاتجاه "المتنامي بسرعة" لقانون مور قد لا يستمر إلى الأبد ، حيث من الصعب أن يقترب حجم المكونات على الرقاقة من الحد الحرج "للذرة الواحدة". سيكون نمو قوة الحوسبة التقليدية أبطأ بكثير حيث يصبح الناس مقيدين بسبب "هي".
يقدم ظهور أجهزة الكمبيوتر الكمومية طريقًا جديدًا تمامًا للمضي قدمًا - لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعتمد على نظرية الكم التي تحكم المقياس الذري ، وهي طريقة مختلفة تمامًا للحوسبة. بالنسبة لبعض مهام الحوسبة ، تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية القدرة على أن تكون أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية ، لذلك يمكن لهذه الأنواع الجديدة من أجهزة الكمبيوتر أن تجلب فوائد تجارية هائلة.
وفقًا للوضع الحالي ، لا يزال عصر تحقيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية كاملة الحجم في وضع "لم تنجح فيه الثورة بعد ، ولا يزال الرفاق بحاجة إلى العمل الجاد" ، ولكن مثل هذه الحواسيب ستمكّن من تصميم الطائرات ، والبحث في البيانات ، والحضارة. الإدارة والتشخيص الطبي.استفاد من عدة جوانب. المملكة المتحدة هي شركة عالمية رائدة في كل من الأجهزة والبرامج لجعل الحوسبة الكمومية حقيقة واقعة.
كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية
تستفيد هذه الأجهزة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية من الطبيعة المعقدة للمعلومات الكمومية. في حين أن أجهزة الكمبيوتر العادية تستخدم بتات بقيمة 0 أو 1 ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتات كمومية أو كيوبتات. يمكن أن يكون كل كيوبت 0 أو 1 أو 0 و 1. بمعنى آخر ، يمكن للمرء إجراء حسابات عن طريق إدخال كيوبتات في حالة تراكب كمي ، على سبيل المثال: قيمة تتكون من 75 أصفار و 25 آحاد في نفس الوقت.
نظرًا لأنه يمكن وضع الكيوبتات في حالات متعددة في نفس الوقت ، فهذا يعني أيضًا أن الكمبيوتر الكمومي يمكنه معالجة العديد من المدخلات في نفس الوقت ، بدلاً من معالجة واحدة تلو الأخرى ، كما تفعل أجهزة الكمبيوتر التقليدية. بالنسبة لأنواع معينة من الأسئلة ، فهذا يعني أنه يمكن للأشخاص الحصول على إجابة أسرع.
يمكن تنفيذ Qubits وتغييرها من خلال العديد من الوسائل التكنولوجية المختلفة ، بما في ذلك:
الموصلات الفائقة
الفوتونات
مصيدة الأيونات
النقاط الكمومية (أجهزة أشباه الموصلات الصغيرة) وجسيمات الماس النانوية
ما الذي يمكن أن تفعله أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟
كما ذكرنا سابقًا ، تعلمنا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في بعض مشاكل الحوسبة - بما في ذلك البحث في قواعد البيانات الكبيرة ، وعوملة الأعداد الكبيرة ، والمزيد.
نظرًا لكونه أكثر طرق التشفير شيوعًا ، فإن التحليل للعوامل له أهمية كبيرة ، ويتم استخدامه على نطاق واسع لحماية البيانات المالية وغيرها من البيانات الحساسة. ويمكن لجهاز كمبيوتر كمي كبير بما يكفي كسر هذا التشفير بسهولة ، وسنحتاج دائمًا إلى الاستعداد لهذا "نهاية العالم المشفرة".
يعتمد قدر كبير من النشاط التجاري على عملية التحسين - على سبيل المثال ، غالبًا ما يستخدم المصنعون نمذجة الكمبيوتر لتحسين نماذج السيارات والطائرات قبل صنع أي أجزاء فعلية. يعد تصميم أجنحة الطائرات مهمة معقدة بشكل خاص ، ومن المحتمل أن تؤدي الحوسبة الكمومية إلى تصميمات أكثر كفاءة ، وفي نهاية المطاف ، طائرات ذات أداء أفضل. نتيجة لذلك ، تبدي العديد من شركات الطيران الكبرى اهتمامًا قويًا بالحوسبة الكمومية.
يبحث الناس الآن بنشاط عن بعض الخوارزميات التي يمكن أن توفر تسريعًا كميًا لمجالات أخرى ، وتشمل هذه مجالات التعلم الآلي وتخطيط السيناريو. يستخدم التعلم الآلي اليوم بشكل متزايد في صنع القرار ، والتعرف على الكلام أو الوجه ، والتعرف على الصور في الروبوتات ، والمركبات ذاتية القيادة.
من ناحية أخرى ، خلقت مبادرات المدن الذكية أيضًا طلبًا متزايدًا في مجال تخطيط السيناريو ، حيث يتم جمع كميات هائلة من البيانات كل يوم. يمكن أن يساعدنا النمو في قوة الحوسبة على اتخاذ قرارات أفضل في الوقت الفعلي. يعد تخطيط السيناريو أيضًا ذا قيمة كبيرة في التشخيص الطبي والدفاع والتمويل والعديد من مجالات الأعمال الأخرى.
كما ذكرنا سابقًا ، تتطلب هذه المهام كمبيوترًا كميًا كبيرًا. بالنسبة للمشكلات الأصغر حجمًا مثل تصميم المواد الجديدة والأدوية والجزيئات الأخرى ، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الصغيرة التي تحتوي على 50 إلى 100 كيوبت قادرة بالفعل على الحوسبة أجهزة الكمبيوتر الكمومية الصغيرة المعروفة باسم "المحاكيات الكمية". في الأساس مجموعة من الكيوبتات المتفاعلة ، يمكنها محاكاة نظام كمي آخر وبالتالي تقديم رؤى جديدة لنمذجة العمليات الفيزيائية المستعصية للغاية اليوم.
حالياً، تتوفر محاكيات الكم التوضيحية بالفعل ، وتقود معاهد الأبحاث في المملكة المتحدة الطريق في المحاكيات الضوئية.
البرمجة الكمومية
بمجرد أن يقوم الأشخاص ببناء أجهزة كمبيوتر كمومية كاملة الحجم ، لن نحتاج فقط إلى خوارزميات جديدة ، بل سنحتاج أيضًا إلى لغات برمجة جديدة تمامًا. هذا يعني أن الناس بحاجة إلى تطوير تقنيات جديدة تمامًا لمواصفات البرنامج (تحديد ما يجب أن يفعله البرنامج) ، والتحقق (لإثبات أن البرنامج يقوم بما نريد) ، وتصحيح الأخطاء والاختبار.
تعد برامج التصحيح والاختبار تحديًا بشكل خاص خلال هذه العملية لأن ملاحظات الأشخاص يمكن أن تؤثر على الحالات الكمية - بمعنى: عندما تقوم بفحص ما يحدث في جهاز الكمبيوتر ، فإنك تقوم أيضًا بتغيير حالة الكمبيوتر. يتمثل أحد الحلول الممكنة والممكنة في تصميم نظام تشغيل يمكنه اكتشاف الأخطاء عند تجميع البرنامج.
في الوقت الحاضر ، تشارك العديد من مؤسسات البحث العلمي في جميع أنحاء العالم بنشاط في تطوير خوارزميات الكم والبحث في مجالات البرمجة الكمومية.
العمارة الشاملة للكمبيوتر الكمومي
سباق الكمبيوتر الكمي
في غضون عقد من الزمان ، قد يكون المرء قادرًا على بناء كمبيوتر كمي من 50 إلى 100 كيوبت. ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه قادرة على العمل كمحاكيات كمومية. الهدف طويل المدى للناس هو بناء كمبيوتر كمي واسع النطاق يمكنه تشغيل أي خوارزمية كمومية ، ما يسمى بالكمبيوتر الكمي العالمي. لتتفوق على أجهزة الكمبيوتر التقليدية في الأداء ، ستحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكبيرة هذه إلى احتواء آلاف إلى ملايين من الكيوبتات.
في الوقت نفسه ، هناك اهتمامات تجارية ضخمة في هذا المجال ، وخاصة المحاكاة الكمومية صغيرة الحجم. على سبيل المثال ، طورت شركة كندية ، D-Wave ، نوعين من المحاكيات الكمومية ، وعلى الرغم من أن هذه المحاكاة لم تظهر علامات على التسارع الكمي ، فقد تم استخدام بعض الأجهزة من قبل بعض الشركات الكبيرة والمعهد الوطني الأمريكي. "اندفاع للشراء".
كما أطلقت Google و IBM و Intel خططًا لبناء محاكيات كمية وأجهزة كمبيوتر كمومية كاملة الحجم ، فإن وحدات الكيوبت الخاصة بهذه الحواسيب الكمومية تعتمد جميعها على الموصلات الفائقة. أدت هذه الجهود الدؤوبة إلى ظهور المزيد والمزيد من الشركات الناشئة التي تركز على معالجة المعلومات الكمية.
التواصل الكمي
يعد التشفير أهم تطبيق لتكنولوجيا الكم في مجال الاتصالات ، وتوزيع المفتاح الكمي وتكنولوجيا الدفاع بفك التشفير الكمي هما جوهر تكنولوجيا نقل البيانات المستقبلية.
يضمن الاتصال الكمي أمن نقل البيانات الحساسة. في المستقبل المنظور ، سيصبح توزيع المفاتيح الكمومية جزءًا مهمًا من تشفير الاتصالات ، ومن الممكن أيضًا بناء شبكة اتصالات آمنة تستخدم الأقمار الصناعية والألياف الضوئية لتغطية العالم.
يمكن أيضًا استخدام الاتصال الكمي من أجل: نقل كميات كبيرة من البيانات الناتجة عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ؛ إنشاء كميات كبيرة من الأرقام العشوائية المستخدمة في المحاكاة والألعاب ؛ وبناء المزيد من التوقيعات الرقمية الموثوقة.
مشكلة التشفير
يحتوي كل هاتف محمول وكل متصفح ويب على وحدة تشفير مضمنة. تقنية التشفير وراء هذه الوحدات هي حجر الزاوية في المجتمع الشبكي. تستخدم وحدات التشفير هذه مفاتيح لتشفير البيانات وفك تشفيرها.
تتطلب اتصالات الأعمال التجارية عبر الإنترنت وغيرها من التطبيقات عالية الأمان استخدام مفاتيح عامة وخاصة للاتصالات. يقوم المرسل بتشفير البيانات بالمفتاح العام وإرسالها ، ويقوم المستلم بفك تشفيرها بالمفتاح الخاص. حاليًا ، لا يمكن للمخترقين اختراق تشفير المفتاح العام في فترة زمنية مقبولة.
الأساس الرياضي لخوارزمية تشفير المفتاح العام هو عدم وجود خوارزمية فعالة لتحلل الأعداد الأولية الكبيرة. ومع ذلك ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية حل مشاكل العوامل الأولية الكبيرة بسهولة ، لذلك تواجه تقنيات التشفير الحالية تحديات كبيرة.
توزيع مفتاح الكم
أساس توزيع المفاتيح الكمومية هو مبدأ ميكانيكا الكم ، لذا فإن التطور المستقبلي للرياضيات وتكنولوجيا الكمبيوتر لا يمكن أن يهز أمن توزيع المفاتيح الكمومية.
في الوقت الحالي ، تبلغ أقصى مسافة لتوزيع المفاتيح الكمومية للألياف 100 كيلومتر ، وتمتص الألياف الأطول عددًا كبيرًا جدًا من الفوتونات. ومع ذلك ، يمكن تمديد مسافات الإرسال من خلال شبكات المفاتيح الكمومية والعقد الموثوقة. في المستقبل ، مع تطور تكنولوجيا الكم ، من الممكن إلغاء عقد الثقة وبناء شبكة توزيع مفاتيح كمومية كاملة مباشرة. بالطبع ، من أجل ضمان أمن توزيع المفاتيح ، هناك حاجة أيضًا إلى وسائل مساعدة أخرى ، بما في ذلك التحقق من هويات المرسلين والمستلمين.
استخدامات توزيع المفاتيح الكمومية
المعلومات المشفرة بالطرق الكلاسيكية التي لا يمكن فك تشفيرها بقدرات فك التشفير الحالية من المحتمل أن تكون عرضة للتأثر بتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لا تهدد زيادة قوة الحوسبة أمان المعلومات المشفرة بتقنية التشفير الكمي. تقدم شركة يابانية بالفعل التشفير الكمي لبيانات التسلسل الجيني البشري.
مع تطور التكنولوجيا وتصبح المعدات أكثر فعالية من حيث التكلفة ، يمكن دمج توزيع المفتاح الكمي في شبكات الألياف الضوئية الحالية لخدمة الشركات والمستشفيات ومراكز البيانات التابعة لجهات خارجية لحماية المعلومات الشخصية. يمكن أيضًا استخدام توزيع المفاتيح الكمومية لحماية العقد الأساسية للشبكة من سيطرة المتسللين.
توزيع المفتاح الكمي مفيد بشكل خاص في هذه المجالات:
حماية المعلومات المالية والشخصية للعملاء للمؤسسات الكبيرة. بدأ عدد من البنوك بالفعل تجارب على تقنية التشفير الكمي.
البيانات الطبية ، مثل البيانات الوراثية الشخصية ؛
الاتصالات الحكومية والعسكرية ؛
البنية التحتية الوطنية مثل محطات الطاقة النووية وشبكات الاتصالات الأساسية ؛
الدفاع فك التشفير
تشير تقنية دفاع فك التشفير الكمي إلى تقنية التشفير التي يمكنها الدفاع ضد تكسير الكمبيوتر الكمومي.
تعمل الحكومات والأوساط الأكاديمية والصناعة على تطوير خوارزميات تشفير ذات دفاعات فك التشفير الكمي. توجد بالفعل خوارزمية تشفير تُعرف باسم تشفير الشبكة. تختبر Google خوارزمية تشفير أخرى تسمى Ring Fault Tolerance Learning في متصفح Chrome.
جميع خوارزميات التشفير الدفاعي لفك التشفير الكمي لها مزاياها وعيوبها ، وتحتاج عمومًا إلى حل وسط بين حجم المفتاح وسرعة التشفير.
يقوم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا والمعهد الأوروبي لتقييس الاتصالات بمقارنة واختبار العديد من خوارزميات تشفير الدفاع الكمومي لوضع المعايير. في الوقت الحالي ، لا يوجد إجماع على خوارزمية التشفير المناسبة لكل مجال تطبيق.
مما لا شك فيه ، توزيع المفتاح الكمي وتكنولوجيا الدفاع عن فك التشفير الكمي هما التقنيات الأساسية لأمن نقل البيانات في المستقبل. يمكن لشبكات الاتصالات المستقبلية عالية الموثوقية استخدام كلتا التقنيتين لتحقيق أعلى مستوى من الأمان.
مستقبل الاتصالات الكمومية
بالإضافة إلى التشفير ، تمتلك تقنية الاتصالات الكمومية التطبيقات الشائعة التالية:
؟ التوقيع الكمي
لا يمكن أن يضمن التشفير نفسه عدم العبث بالمعلومات الأصلية قبل التشفير ، ويمكن أن توفر تقنية التوقيع الكمي أمانًا أعلى من تقنية التوقيع الرقمي الحالية.
العلامات الجغرافية
تقنية تحديد الموقع الجغرافي القائمة على الاتصالات الكمومية قيد التطوير.
الحوسبة الكمومية الموزعة
يمكن لشبكات الاتصالات الكمومية أن تربط بين العديد من المعالجات الكمومية لأداء مهام الحوسبة الضخمة.
عشوائي عدد المولدات
يتطلب كل من التشفير والمحاكاة العددية والألعاب كميات كبيرة من الأرقام العشوائية ، وتعد جودة الأرقام العشوائية مهمة جدًا في هذه التطبيقات. في الوقت الحالي ، تعد الأرقام العشوائية التي تم إنشاؤها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية كلها أرقامًا شبه عشوائية ، وسيؤدي تواترها إلى تقليل أمان كلمات المرور.
لا يمكن التنبؤ بالعمليات الفيزيائية الكمية بطبيعتها ، وبالتالي يمكن أن تولد أرقامًا عشوائية حقًا. وبشكل أكثر تحديدًا ، عندما يصطدم الفوتون بنصف مرآة ، لا يمكن التنبؤ بما إذا كان سيتم إرساله أم انعكاسه ، لذلك يمكن تكوين رقم عشوائي كمي من 1 بت. يمكن للتكنولوجيا الحالية أن تولد مليارات البتات من الأرقام العشوائية الكمية الثنائية في ثانية واحدة ، والسعر ليس مرتفعًا. يمكن للحوسبة السحابية ، ومصادقة الهوية ، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية والبصرية ، والألعاب عبر الإنترنت ، وأنظمة اليانصيب والتنبؤ بأسواق الأوراق المالية ، أن تستخدم جميعها تقنية توليد الأرقام العشوائية الكمية.
من الاتصال الكمي من نقطة إلى نقطة إلى شبكات الاتصالات الكمومية
شبكات توزيع المفاتيح الكمومية الحالية هي أساسًا شبكات نظير إلى نظير.
من أجل بناء شبكة توزيع مفاتيح كمومية واسعة النطاق ، من الضروري حاليًا استخدام العقد الموثوقة ، والتي تتولى وظيفة تبادل المفاتيح. شكلت جامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة وجامعة بريستول وجامعة كوليدج لندن والمختبر الفيزيائي الوطني ومركز البحث والتطوير في بي بي سي في Adastar Park شبكة التبادل الرئيسية هذه. كما كشف الاتحاد الأوروبي عن خطط لبناء شبكة توزيع كمي بين المدن الأوروبية الكبرى.
من الناحية النظرية ، يمكن للقراصنة اختراق العقد الموثوقة ، لذا فإن أفضل حل أمني هو إلغاء العقد الموثوقة وبناء شبكة توزيع رئيسية تعتمد بالكامل على التشابك الكمي. وبهذه الطريقة ، لا يمكن لأي طرف ثالث غير المرسل والمتلقي رؤية المعلومات.
من الناحية الفنية ، يتم بالفعل تطوير مكررات الكم التي تسمح بمشاركة التشابك الكمي بين المرسلين والمستقبلات البعيدة.
بالطبع ، استنادًا إلى التشابك الكمومي ، يمكن أيضًا إنشاء طريقة أخرى لتوزيع المفاتيح الكمومية غير حساسة لجهاز القياس.يمكن لهذه الطريقة أن تتجنب ثغرة في طريقة توزيع المفتاح الكمي التقليدية: يقوم المتسللون بحقن فوتوناتهم في القناة ، وبالتالي الاختطاف عملية نقل المعلومات. يمكن أيضًا أن تتجنب طرق توزيع المفاتيح الكمومية التقليدية هذه الثغرة ، لكن طريقة قياس حساسية الجهاز يمكن أن تسد هذه الثغرة تمامًا عن طريق إزالة جهاز الإرسال والاستقبال الذي يجلب الرابط الضعيف.
بالإضافة إلى ذلك ، يتم أيضًا تطوير أجهزة التوجيه الكمومية للشبكات الكمية واسعة النطاق.
الأقمار الصناعية مهمة جدًا لمزامنة المعلومات في شبكات الكم واسعة النطاق. في أغسطس 2016 ، أجرى القمر الصناعي التجريبي للاتصالات الكمومية "Mozi" الذي أطلقته الصين بنجاح تجربة توزيع حالات التشابك الكمومي. تتطلب طرق توزيع المفاتيح الكمومية التقليدية أن يكون القمر الصناعي نفسه عقدة موثوقة. ومع ذلك ، فإن طرق توزيع المفاتيح الكمومية غير الحساسة لأجهزة القياس يمكن أن تزيل هذا القيد ، ولا تترك أي قيود على مصداقية القمر الصناعي.
قد تكون على اتصال دائم بتقنية الكم: إنها على معصمنا ، في أجهزتنا الصوتية ، في شاشاتنا ، إنها في سياراتنا ... تكنولوجيا الكم هي حجر الزاوية في العصر الرقمي.
الثورة الكمومية الثانية قادمة ، تنبثق تكنولوجيا الكم الجديدة من المختبر ، والتي ستمكن من تطوير قفزة غير مسبوقة إلى الأمام في مجالات الاستشعار ، والاتصالات ، ومعالجة المعلومات. لكن التحدي الأكبر هو كيفية تحويل المفهوم التقني إلى نموذج أولي وكيفية تسويق النموذج الأولي بنجاح.
ما هي بالضبط تقنية الكم؟
لدينا الآن القدرة على معالجة الذرات الفردية أو الإلكترونات أو الجسيمات الأخرى ، والفوائد بديهية. فمثلا، قم ببناء كاميرات ثلاثية الأبعاد عن طريق عد الفوتونات ، وبناء أكثر الموقتات الضوئية دقة عن طريق التقاط الذرات والأيونات الفردية ، والمزيد. في الوقت نفسه ، سيتم أيضًا استخدام الظواهر الكمومية التي تبدو غير بديهية ، مثل التشابك الكمي والتراكب الكمي.
ساعة الكم : من خلال محاصرة الذرات والأيونات ، يتم عمل مؤقتات عالية الدقة غير مسبوقة.
التصوير الكمي: من خلال الكشف عن الفوتونات الفردية وحسابها ، يتم التغلب على قيود الكاميرات التقليدية. يمكن لتقنية التصوير الجديدة أن ترى حتى من خلال الضباب الكثيف والرؤية من خلال الجدران.
جهاز استشعار الكم : يمكن قياس حركة الضوء والكهرباء والمجالات المغناطيسية وحتى الجاذبية بدقة تتجاوز أي جهاز سابق.
الكمبيوتر الكمي: سينجز مهام لا يمكن تصورها باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية. خذ مثلاً الكمبيوتر الفائق Blue Gene من شركة IBM ، والذي يستغرق ملايين السنين لفك تشفير بعض البيانات العادية ، بينما تستغرق أجهزة الكمبيوتر الكمومية ثوانٍ فقط. بالإضافة إلى ذلك ، ستساعدنا أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل على تصنيع مواد مختلفة بخصائص جديدة تمامًا.
الاتصالات الكمومية: تتمتع بأمن اتصالات عالي للغاية ويصعب غزوها. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم في النهاية تحقيق شبكات الحوسبة السحابية الكمومية.
سوق تكنولوجيا الكم وتأثيرها
قد يكون نطاق تطبيقات تكنولوجيا الكم بعيدًا عن خيالك:
النفط والغاز
ستعمل ملاحظات الجاذبية من خلال أجهزة الاستشعار الكمومية على زيادة معدل اكتشاف الموارد الجديدة بشكل كبير ، وبالتالي زيادة إنتاج النفط والغاز.
محيط
كلفت الفيضانات الهائلة في صيف عام 2007 المملكة المتحدة 3.2 مليار جنيه إسترليني من الأضرار. سيسمح لنا اكتشاف الجاذبية باستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية بقياس دقيق حتى لأدق الحركات في قاع البحر ، وبالتالي محاولة التخفيف من آثار الكوارث الطبيعية على البشر.
أمن البيانات
هناك المزيد والمزيد من المعلومات المشفرة على الإنترنت هذه الأيام. تشير التقديرات إلى أن خدمات الحوسبة السحابية العامة العالمية ستنمو بنسبة 16.5 في عام 2016 لتصل إلى 200 مليار دولار أمريكي. يعتبر الاتصال الكمي أكثر أهمية في هذا العصر ، بالإضافة إلى ضمان أمن البيانات ، والأهم من ذلك ، أن أمن تكنولوجيا الاتصالات الكمومية سيعزز بشكل كبير ثقة الناس في الشبكة ، وبالتالي تعزيز تطوير الصناعات ذات الصلة.
الدفاع والفضاء
تعتمد صناعات الدفاع والفضاء بشكل كبير على الملاحة عالية الدقة والتوقيت والاستشعار عن بعد. تعد تقنية الكم حاليًا أكثر الطرق فعالية لتحسين الدقة. في الوقت الحاضر ، لدى وزارة الدفاع خطط لوضع أحدث نتائج بعض مشاريع البحث والتطوير الرئيسية في التطبيقات العملية ، بما في ذلك الساعات الذرية الصغيرة والجيروسكوبات والمسرعات وأنظمة تصوير الجاذبية.
يمكن أيضًا استخدام مستشعر الجاذبية الجديد للكشف عن الهياكل تحت الأرض ، مثل خطوط الأنابيب تحت الأرض والثقوب.
اتصالات لاسلكية
يمكن للساعة الكمومية المصغرة فائقة الدقة أن تستوعب حركة مرور اتصالات عالية الكثافة ، بحيث لم تعد تتأثر ببيئة الشبكة مثل تحديد المواقع عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ومكالمات الصوت والفيديو وما إلى ذلك.
المالية
تتطلب رقمنة التمويل طوابع زمنية دقيقة للغاية ، وسوف يستفيد السوق المالي بأكمله من جيل جديد من الساعات الكمومية.
مدينة
يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية أن تقيس بشكل أكثر ذكاءً ودقةً وتتحكم في استهلاك الطاقة في المناطق الحضرية ، واستهلاك المياه ، وجودة الهواء ، والحركة الجيولوجية والمؤشرات الأخرى ، بحيث يمكن للمدينة بأكملها العمل بأمان وكفاءة أكبر.
الترفيه والأمن والصناعية
سيفيد الشكل الجديد للكاميرا الضوئية هذه الصناعات كثيرًا ، بل وسيغير شكل هذه الصناعات تمامًا من مستوى الأداة.
كم تبعد تقنية الكم عن السوق؟
بعض التقنيات الكمومية الجديدة يتم تسويقها حاليًا أو قريبة من التسويق. على سبيل المثال ، سيتم قريبًا استخدام تقنية الساعة الذرية المعقدة في شبكات الاتصال لمزامنة الإشارات. وجدت أنظمة الاتصالات الكمومية المشفرة أيضًا تطبيقات عملية في الصناعة المصرفية.
لم تعد أجهزة الاستشعار الكمومية وتكنولوجيا التصوير الكمي بعيدة كل البعد عن التسويق التجاري على نطاق واسع ، ووفقًا للتقدم الحالي ، سيستغرق الأمر حوالي 5-10 سنوات. قد تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي الأبعد عن التسويق في الوقت الحاضر ، وسوف يستغرق الأمر من 10 إلى 15 عامًا ، أو حتى أكثر من ذلك ، لمعرفة احتمالية تطبيقها التجاري.
وضع الاستثمار العالمي
- تستثمر الصين الكثير من الموارد في علوم وتكنولوجيا الكم.
- تمتلك الولايات المتحدة أفضل قاعدة بحث علمي في العالم ، لكنها لم تفعل ما يكفي في التطبيق العملي.
- نشر الاتحاد الأوروبي للتو برنامجه الكمومي ويستعد لإطلاق برنامج رائد لبحوث وتطوير تكنولوجيا الكم في عام 2018 في إطار إطار الابتكار Horizon 2020.
- استثمرت دول أخرى ، مثل سنغافورة ، وأستراليا ، وكندا ، وما إلى ذلك ، في إنشاء مراكز البحث والتطوير الخاصة بتكنولوجيا الكم.
فيما يلي إحصائيات الاستثمار العالمي في البحث والتطوير الذي أجرته الحكومة الهولندية في اجتماع إطلاق البرنامج الرائد لتكنولوجيا الكم الأوروبية في مايو 2016:
نظرة عامة على البحث والتطوير في تكنولوجيا الكم العالمية
لا تزال تقنية الكم في مراحلها الأولى ، على الرغم من أن تقنيات الاتصال الكمي والساعة الكمومية ناضجة نسبيًا ، هناك أيضًا العديد من المنتجات التي تم تسويقها بنجاح.
يمكن أن تشهد أنظمة الاستشعار والتصوير الكمومية مكاسب كبيرة في الأداء في غضون بضع سنوات ، هناك بالفعل بعض المنتجات والخدمات المبكرة في السوق.
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي الأبعد عن السوق ، ومن المتوقع أن يستغرق تسويقها أكثر من عقد.
ترتيب الدول الكبرى في العالم في مجال البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا الكم
في السنوات الخمس الماضية ، بدأت العديد من الحكومات في استثمار المزيد في البحث العلمي الكمي لاغتنام الفرصة. يعد الاستثمار لمدة خمس سنوات بقيمة 270 مليون جنيه إسترليني (2.3 مليار يوان) الذي أطلقته الحكومة البريطانية في عام 2013 هو أقدم وأكبر مشروع حتى الآن.
في عام 2015 ، دخلت جامعة دلفت في هولندا في شراكة مع Microsoft لإطلاق مشروع كمي بقيمة 135 مليون دولار.
في عام 2016 ، وسعت الولايات المتحدة نطاق أبحاث وتطوير تكنولوجيا الكم ، وأصدر البيت الأبيض أيضًا تقريرًا يقول إنه سيساعد في تخصيص موارد البحث والتطوير.
تستثمر الصين في شبكة اتصالات كمومية بطول 2000 كيلومتر ، وفي أغسطس 2016 أطلقت أول قمر صناعي للاتصالات الكمومية ، موزي. في الوقت نفسه ، تعمل كندا وأستراليا واليابان وكوريا الجنوبية وغيرها على زيادة استثماراتها في أبحاث وتطوير تكنولوجيا الكم.
التصوير الكمي
لا يمكن فصل الحضارة الحديثة عن تكنولوجيا التصوير ، لكن معظم الصور يمكنها فقط التقاط المعلومات في نطاق الضوء المرئي ويمكنها فقط إنتاج صور ثنائية الأبعاد. في المقابل ، فإن العالم الحقيقي ثلاثي الأبعاد ، وتغطي معلومات الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة والمنعكسة بواسطة الأجسام الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله ، من موجات الراديو إلى الضوء المرئي إلى أشعة جاما. مدفوعة بعلم الكم ، ستبدأ تكنولوجيا التصوير في جولة جديدة من الثورة.
يمكن للكاميرات الكمومية التقاط صور ثلاثية الأبعاد وحتى التقاط إشارات من كائنات خارج مجال رؤية الكاميرا ولكنها تتحرك نحو الكاميرا. هذا النوع من التكنولوجيا "اللافتة للنظر" ليس مهمًا جدًا للسيارات ذاتية القيادة فحسب ، بل له أيضًا مجموعة واسعة من التطبيقات في المجالات الطبية والعسكرية والسلامة العامة والنقل والتصنيع.
التصوير من خلال العقبات
ما هو التصوير الكمي؟
لا تتفوق الكاميرات القائمة على مبادئ فيزياء الكم على الكاميرات الكلاسيكية في الأداء فحسب ، بل تُمكّن أيضًا الوظائف التي لا تستطيع الكاميرات التقليدية القيام بها. يمكن تقسيم تقنيات التصوير الكمي إلى فئتين رئيسيتين:
1. تكنولوجيا التصوير التي تعتمد على كاشفات الانهيارات الجليدية أحادية الفوتون ، والتي يمكنها الكشف بشكل فعال عن الفوتونات المفردة في وقت تعريض قصير ، وبالتالي تحقيق التصوير ثلاثي الأبعاد ، والتصوير المحيط بالجدار ، والتصوير بنطاق الضوء غير المرئي.
2. تقنية التصوير التي تستخدم التأثيرات الكمية لتحسين حساسية الضوء ، والتي يمكنها التقاط صور ذات تباين أعلى من الكاميرات التقليدية وتقليل الضوضاء في الصور إلى مستوى أقل من الحد الأدنى النظري الذي حددته الفيزياء الكلاسيكية.
ومع ذلك ، لا تقتصر تقنية التصوير الكمي على الموجات الكهرومغناطيسية. في الوقت الحاضر ، يمكن لأجهزة استشعار الجاذبية عالية الحساسية القائمة على ميكانيكا الكم تصوير تحت الأرض من خلال اكتشاف التغيرات الطفيفة في مجال الجاذبية في مناطق مختلفة ، والحصول على معلومات حول احتياطيات النفط ، والتجاويف الجوفية وشبكات الأنابيب تحت الأرض.
ما يمكن أن تقدمه تقنية التصوير الكمي
التصوير ثلاثي الأبعاد
يمكن للكاميرات التي تعتمد على أجهزة الكشف عن الانهيارات الثلجية أحادية الفوتون أن تقيس بدقة وقت وصول الفوتونات المفردة. إذا كان الهدف مضيئًا بمصدر ضوء قصير النبضة وتم حساب الوقت الذي يستغرقه الفوتون للعودة من الانبعاث للعودة ، يمكن الحصول على معلومات المسافة ، وهي طريقة تعرف باسم التصوير ثلاثي الأبعاد. بالطبع ، يجب استخدام الليزر الضعيف لتجنب الإضرار بالعين البشرية ، وفي المقابل ، يجب استخدام كاميرات قادرة على اكتشاف الفوتونات الفردية.
حقيقة مفاجئة: على الرغم من أن التصوير ثلاثي الأبعاد يوفر معلومات أكثر من التصوير ثنائي الأبعاد ، فإن معظم التصوير ثلاثي الأبعاد الحالي يعتمد على مستشعرات الضوء أحادية البكسل بدلاً من مصفوفات مستشعر الضوء التقليدية. أي أن استخدام عدد أقل من أجهزة الاستشعار يوفر مزيدًا من المعلومات. تتمثل ميزة مستشعرات الضوء أحادية البكسل في أنها أقل تكلفة بكثير من المصفوفات الحساسة للضوء. )
التصوير حول الحائط
إذا كانت هناك تقنية تسمح لك بالوقوف على جزء من قناة على شكل حرف L وإدراك شيء ما في الطرف الآخر من القناة ، فستكون مفيدة جدًا في مجالات مثل تجنب العوائق والبحث والإنقاذ. يمكن للكاميرات التي تعتمد على أجهزة الكشف عن الانهيارات الثلجية أحادية الفوتون أن تفعل ذلك بالضبط.
تعمل هذه التقنية: افترض أنك في أحد طرفي قناة على شكل حرف L ، وأطلق ليزرًا على الحائط الذي تواجهه. يضرب الفوتون الجدار وينتشر ، ويضرب الهدف في الطرف الآخر من القناة التي على شكل حرف L ، ويتم التقاط جزء من الفوتون المنعكس بواسطة الكاميرا ، والتي يمكن من خلالها تصوير الهدف. على الرغم من أن المبدأ ليس معقدًا ، إلا أنه لاكتشاف هذه الفوتونات الضعيفة بعد انعكاسات متعددة ، يجب استخدام مستشعر الكم أحادي الفوتون.
علاوة على ذلك ، فإن مقدار الحساب المطلوب لإعادة بناء الصورة من الفوتونات التي تم الحصول عليها يكاد يكون باهظ الثمن بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر التقليدية.
تصوير الرؤية الليلية
تعد أجهزة التصوير بالأشعة تحت الحمراء للرؤية الليلية القائمة على المصفوفات الحساسة للضوء باهظة الثمن ، بينما يمكن للكاميرات الكمومية أحادية البكسل القيام بنفس المهمة بثمن بخس. تعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة ، ومن المتوقع أن تظهر كاميرات الرؤية الليلية الكمية الرخيصة في المستقبل القريب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا دمج المستشعرات أحادية البكسل في الرقائق لتصبح مكونات اتصالات بصرية.
تصوير واضح
لا توجد كاميرا محصنة تمامًا من الضوضاء ، ولا حتى أنقى ضوء في العالم - ليزر ، لأن الضوء يتكون من فوتونات منفصلة ولا يمكن تقسيمه إلى ما لا نهاية. ومع ذلك ، باستخدام تقنية الكم ، يمكن قمع الضوضاء إلى حد كبير.
تُستخدم البلورة لتقسيم ضوء الليزر إلى فوتونين متشابكين بحيث تكون مكونات الضوضاء في الحزمة هي نفسها. لا تتأثر نسبة عدد الفوتونات في الحزمة الأولى مقسومًا على عدد الفوتونات في الحزمة الثانية بالضوضاء ، وتؤثر التغييرات الطفيفة في الحزمة الأولى على هذه النسبة ويتم اكتشافها. لن يكون هذا الكشف عالي الحساسية ممكنًا بدون إزالة الضوضاء.
هناك طريقة أخرى للحصول على صورة عالية الجودة وهي المعالجة اللاحقة للصورة بالصورة الأصلية وغيرها من المعلومات. عندما يكون عدد الفوتونات التي تجمعها الكاميرا صغيرًا جدًا ، يمكن بسهولة التخلص من فوتونات الضوضاء والقضاء عليها.
تغيير لون التصوير
في الماضي ، مهما كان الطول الموجي للضوء الذي استخدمته لإلقاء الضوء على كائن ما ، كان بإمكانك فقط التقاط الصور باستخدام كاميرا تعمل بهذا الطول الموجي. ومع ذلك ، أصبح من الممكن الآن إضاءة الأشياء باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء ، أثناء التقاط الصور بكاميرات تعمل في الأطوال الموجية المرئية.
الطريقة المحددة للتصوير المتغير اللون هي: استخدام الكريستال لتقسيم الليزر فوق البنفسجي إلى شعاع ضوئي مرئي واحد وشعاع ليزر واحد يعمل بالأشعة تحت الحمراء. يضيء الكائن باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء ، ويتم استقبال الشعاع المرئي بواسطة كاميرا تعمل في نطاق الضوء المرئي. باستخدام خصائص التشابك الكمي بين ضوء الليزر المرئي والأشعة تحت الحمراء ، يمكن إعادة بناء صور الأشياء. تعد الكاميرات التي تعمل في الأطوال الموجية المرئية أكثر حساسية من تلك التي تعمل في الأشعة تحت الحمراء ، لذا فإن هذه التقنية مهمة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدام التصوير المتغير اللون لتحليل تركيبة المواد الكيميائية لتوفير حساسية تحليلية.
النطاق السري
تستخدم أجهزة ضبط المسافة بالليزر على نطاق واسع في مجالات البناء والمجالات العسكرية. ليس من الصعب تخيل أنه لا يوجد جندي يريد أن يكتشفه الخصم عند استخدام أداة تحديد المدى بالليزر ، ويمكن للتصوير الكمي بفوتون واحد أن يحقق هذا الغرض - يتم إصدار فوتون واحد فقط في المرة الواحدة بدلاً من إصدار شعاع مكون من عدد لا يحصى من الفوتونات نطاق كامل. يكاد يكون من المستحيل اكتشاف مثل هذه الشدة المنخفضة للضوء من قبل الخصم.
تطبيق السوق
يعد المجال الطبي أحد أكبر الأسواق المحتملة لتقنية التصوير الكمي. سوف تضر الإشعاعات المؤينة المنبعثة من أجهزة الأشعة السينية بجسم الإنسان. في المستقبل القريب ، من المتوقع أن تقلل معدات التصوير بالأشعة السينية القائمة على تقنية التصوير الكمي بشكل كبير من قوة الانبعاث وتحاول تجنب ضرر الإشعاع المؤين للإنسان هيئة. بحلول عام 2020 ، من المتوقع أن تصل فطيرة السوق هذه إلى 33.4 مليار دولار.
التصوير بالأشعة تحت الحمراء هو سوق محتمل آخر. التطبيق الكلاسيكي هو: في الحريق حيث يوجد تسرب للغاز ، يمكن لرجال الإطفاء استخدام معدات التصوير بالأشعة تحت الحمراء لاختراق الدخان والعثور على تسرب الغاز. من المتوقع أن تبلغ قيمة سوق التصوير بالأشعة تحت الحمراء 11.2 مليار دولار في عام 2022.
التصوير ثلاثي الأبعاد هو أيضًا سوق كبير ، بحجم 16.6 مليار دولار في عام 2020. بالإضافة إلى ذلك ، لا ينبغي الاستهانة بسوق التصوير في الإضاءة المنخفضة والتصوير المجهري. تعتبر أجهزة التصوير الكمومية المحمولة جواً مهمة للسلامة العامة والجيش والزراعة والنفط والغاز والمراقبة البيئية.
في الجيش ، يمكن أن توفر تقنية التصوير الكمي نطاقًا سريًا ، وتصويرًا تحت الماء ، وتصويرًا لاختراق الطقس القاسي وخدمات التصوير خارج نطاق الرؤية. سوف تساعد أجهزة تصوير الجاذبية الكمية في الهندسة البلدية واستخراج النفط وإزالة الألغام. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد تقنية التصوير الكمي أيضًا في تحسين عرض النطاق الترددي للاتصالات الآمنة الكمومية.
ساعة الكم
"الوقت" الدقيق هو حجر الزاوية في الحياة العصرية. تعتمد التقنيات التي نأخذها كأمر مسلم به ، مثل الهواتف المحمولة والإنترنت وأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية ، على الوقت الذي توفره الساعات الذرية.
تم استخدام الساعات الذرية لضبط الوقت الدولي منذ عام 1967 وهي حاليًا أكثر التقنيات الكمومية نضجًا. لعبت المملكة المتحدة دورًا رائدًا في تطوير أول ساعة ذرية بشرية للسيزيوم ، ولكن استولت عليها الولايات المتحدة في عملية تسويق الساعة الذرية. في الآونة الأخيرة ، تعمل المملكة المتحدة بنشاط على الترويج لجيل جديد من تكنولوجيا الساعة الذرية للتسويق ، على أمل أن تصبح مرة أخرى رائدة في هذا المجال.
الآن ، وصل أداء الساعات الذرية إلى مستويات غير مسبوقة. تتمتع أفضل الساعات الذرية بدقة لا تتجاوز بضع نانو ثانية لكل 100 عام ، وتتميز بالتصغير وإمكانية النقل وتكلفة منخفضة بشكل كبير. تفتح هذه التطورات تطبيقات وأسواق جديدة محتملة. ايضا، يمكن للجيل الجديد من الساعات الذرية أن يقلل بشكل فعال من الإزعاج الناجم عن انقطاع إشارات توقيت الأقمار الصناعية.
ما هي الساعة الذرية؟
تتطلب جميع الساعات إيقاعًا منتظمًا معينًا لتمييز مرور الوقت. يمكن أن يأتي هذا من بندول الساعة الميكانيكية أو بلورة الكوارتز للساعة. تستخدم الساعات الذرية الذرات للقيام بذلك: تمتص الذرات الضوء أو الموجات الدقيقة بترددات دقيقة للغاية يمكن قياسها. يخبرنا هذا التردد عن عدد الدورات التي تتم في وقت معين ، و "الدورة" (فترة تذبذب الضوء) هي بالضبط الإيقاع الذي نحتاجه: وحدة زمنية منتظمة قابلة للتكرار.
تعمل العديد من الساعات الذرية ، بما في ذلك الساعات المبكرة ، على ترددات الميكروويف. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير الساعات الذرية في النطاق المرئي أو فوق البنفسجي بنجاح. بينما تتحسن التكنولوجيا في ترددات الميكروويف ، فإن الساعات الذرية ذات الترددات الأعلى لديها القدرة على توفير إشارات زمنية أكثر استقرارًا.
أزمة توقيت القمر الصناعي
نحن نعتمد بشكل متزايد على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وأنظمة الملاحة العالمية الأخرى عبر الأقمار الصناعية. لكن، هذه الأنظمة عرضة للفشل أو انقطاع الإشارة. يمكن أن تؤدي عمليات التحميل غير الصحيحة والتداخل من إشارات فضائية مختلفة والعواصف الشمسية إلى تعطيل النظام بأكمله.
تتمثل إحدى الوظائف المهمة لنظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمي في توفير إشارة زمنية. كل شيء من الملاحة والاتصالات والمعاملات المالية وحتى أنظمة الإمداد بالطاقة يعتمد على الوقت الذي توفره الأقمار الصناعية. ومع ذلك ، فإن معظم هذه الأنظمة ليس لديها خطة احتياطية ، وتتعثر إشارة القمر الصناعي عندما تنقطع.
حذرت الأكاديمية الملكية للهندسة (RAE) من مخاطر الاعتماد المفرط على توقيت القمر الصناعي. وحذروا من أن الاضطرابات في إشارات توقيت الأقمار الصناعية يمكن أن تؤدي إلى تعطيل متزامن للعديد من المرافق في حالة الطوارئ. لذلك ، توصي الأكاديمية الملكية للهندسة بضرورة ضمان عمل البنية التحتية الحيوية مثل الاتصالات أو أنظمة الأمن لمدة ثلاثة أيام على الأقل دون إشارة القمر الصناعي في الحالات القصوى.
الحل الأكثر واقعية هو تضمين الساعات الذرية في كل شبكة. كما أنه محرك رئيسي للسباق لتطوير ساعات ذرية صغيرة ومنخفضة التكلفة في البرنامج الوطني لتكنولوجيا الكم في المملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة.
