چاپ صفحه

فناوری‌های کوانتومی از پیشران‌های راهبردی علم و فناوری آینده به شمار می‌روند و «ایران» با حمایت و پیگیری معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست‌جمهوری برای ایجاد سه آزمایشگاه پیشرفته آموزشی در دانشگاه‌های صنعتی شریف، اصفهان و شهید بهشتی، در زیرساخت‌ها و روش‌های نوین آموزش تجربی این فناوری در جهان برداشته است. فناوری‌های کوانتومی از حوزه‌های راهبردی علم و فناوری در جهان به شمار می‌روند که توسعه آن‌ها می‌تواند زمینه‌ساز تحول در محاسبات، ارتباطات امن، رمزنگاری و حسگری شود. دستیابی به ظرفیت‌های علمی و فناورانه در این حوزه، علاوه بر پژوهش‌های بنیادین، به تربیت نیروی انسانی متخصص و فراهم‌کردن زیرساخت‌هایی نیاز دارد که امکان تجربه عملی پدیده‌های کوانتومی و کار با تجهیزات پیشرفته را در کنار آموزش نظری فراهم کنند. از همین رو، دانشگاه‌ها و مراکز علمی کشورهای پیشرو، توسعه آزمایشگاه‌های تخصصی آموزش تجربی کوانتوم را در دستور کار قرار داده‌اند. در همین 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 در مسیر 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 زمینه تربیت نیروی انسانی توانمند برای فعالیت در عرصه‌های پژوهشی و فناورانه این حوزه را گسترش می‌دهند. هم‌گامی «ایران» با پیشرفت‌های علمی و آموزشی کوانتوم توسعه آزمایشگاه‌های آموزشی فناوری‌های کوانتومی در سال‌های اخیر مورد توجه دانشگاه‌ها و مراکز علمی جهان قرار گرفته است. با گسترش کاربردهای کوانتوم در حوزه‌های محاسبات، ارتباطات امن، رمزنگاری و حسگری، نیاز به تربیت متخصصانی که علاوه بر تسلط بر مبانی نظری، از مهارت‌های آزمایشگاهی و توانایی کار با سامانه‌های واقعی برخوردار باشند، اهمیت بیشتری پیدا کرده است. در همین مسیر، دانشگاه‌هایی مانند 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 را برای آموزش عملی مفاهیم کوانتومی توسعه داده‌اند. برای نمونه، 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 آمریکا نیز آزمایشگاه‌های آموزشی تخصصی برای مطالعه پدیده‌هایی مانند درهم‌تنیدگی فوتونی، آزمون نامساوی بل، منابع تک‌فوتونی و سامانه‌های کنترل و به‌دام‌اندازی ذرات طراحی شده‌اند. دانشگاه میلان ایتالیا نیز در برنامه آزمایشگاهی اپتیک کوانتومی خود، موضوعاتی مانند آشکارسازی تک‌فوتونی، تولید حالت‌های درهم‌تنیده و آزمون نامساوی بل را آموزش می‌دهد. در چنین بستری، ایجاد آزمایشگاه‌های تخصصی در دانشگاه‌های ایران، زمینه آموزش عملی بخشی از همان مفاهیم و روش‌های تجربی مورد استفاده در دانشگاه‌های بین‌المللی را برای دانشجویان کشور فراهم می‌کند. این اقدام، ضمن گسترش زیرساخت‌های دانشگاهی، می‌تواند فرصت تازه‌ای برای توسعه مهارت‌های تجربی، افزایش توان پژوهشی دانشجویان و تقویت ارتباط میان آموزش دانشگاهی و نیازهای آینده فناوری‌های کوانتومی ایجاد کند. کالبدشکافی سیاست‌گذاری کوانتومی در ایران و سند ملی توسعه راه‌اندازی سه آزمایشگاه پیشرفته در دانشگاه‌های برتر ایران، اقدامی مجرد و واکنشی نیست؛ بلکه بازتابی عملیاتی از یک استراتژی کلان حاکمیتی است که در قالب «سند ملی توسعه علوم و فناوری‌های کوانتومی» تدوین و توسط شورای عالی انقلاب فرهنگی به تصویب رسیده است. این سند که افقی ده‌ساله 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 با عنوان «ستاد علوم و فناوری‌های کوانتومی» ذیل 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 مهم‌ترین چالش‌های فناوری کوانتوم، هزینه سرسام‌آور 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 50 میلیون دلار و در افق ده‌ساله به حدود 140 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 در ادامه آمده است که ضرورت حیاتی ایجاد آزمایشگاه‌های عملی را توجیه می‌کند: 1. رتبه ایران در ثبت اختراع بین‌المللی کوانتوم

شاخص هدف‌گذاری‌شده در سند ملی (افق 3 ساله)؛ رتبه ایران در ثبت اختراع بین‌المللی کوانتوم
مقدار مطلوب: رتبه 3 در منطقه/جهان مقایسه‌ای
ارتباط مستقیم با آزمایشگاه‌های آموزشی: نیازمند دسترسی فیزیکی دانشجویان به تجهیزات برای نمونه‌سازی

2. حجم سرمایه‌گذاری کشور در توسعه کوانتوم

شاخص هدف‌گذاری‌شده در سند ملی (افق 3 ساله)؛ حجم سرمایه‌گذاری کشور در توسعه کوانتوم
مقدار مطلوب: 50 میلیون دلار
ارتباط مستقیم با آزمایشگاه‌های آموزشی: تخصیص بودجه برای خرید کیت‌های اپتیکی و حسگری پیشرفته

3. تعداد استانداردهای ملی تعریف‌شده در حوزه کوانتوم

شاخص هدف‌گذاری‌شده در سند ملی (افق 3 ساله)؛ تعداد استانداردهای ملی تعریف‌شده در حوزه کوانتوم
مقدار مطلوب: صفر به سطح مطلوب متناسب با فاز اول
ارتباط مستقیم با آزمایشگاه‌های آموزشی: انجام آزمون‌های سنجش دقیق در آزمایشگاه‌های مرجع

4. پروژه‌های مشترک میان دانشگاه‌ها و صنایع

شاخص هدف‌گذاری‌شده در سند ملی (افق 3 ساله)؛ پروژه‌های مشترک میان دانشگاه‌ها و صنایع
مقدار مطلوب: حداقل 6 میلیون دلار ارزش قرارداد
ارتباط مستقیم با آزمایشگاه‌های آموزشی: ارتقای مهارت دانشجویان برای رفع نیازهای صنعتی

علاوه بر تامین 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 500 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 صورت گرفته 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 10 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 4 کیت آزمایشگاهی بسیار پیشرفته، امکان انجام 9 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 50 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 فرایندهایی 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 405 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 810 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 غیرمحلی کوانتوم باور داشت. دانشجویان در آزمایشگاه اپتیک کوانتومی، با تغییر زاویه فیلترهای قطبشگر در مسیر فوتون‌های درهم‌تنیده و محاسبه آمار شمارش فوتون‌ها، فرمول ریاضی «نامساوی بل» را نقض می‌کنند. این نقض تجربی، به طور قطعی ثابت می‌کند که طبیعت در بنیادین‌ترین سطح خود از قوانین غیرمحلی مکانیک کوانتوم پیروی می‌کند. د) تصویربرداری با نقص‌های کریستالی الماس (NV Centers) همان‌طور که اشاره شد، آزمایشگاه دانشگاه شهید بهشتی بر روی حسگرها تمرکز دارد. یکی از فناوری‌های کلیدی در این حوزه، کار با «مراکز نقص نیتروژن-تهی‌جای در الماس» (NV Centers in Diamond) است. این نقص‌های اتمی درون ساختار کربنی الماس، زمانی که با لیزر سبز رنگ تحریک می‌شوند، از خود نور قرمز ساطع می‌کنند. ویژگی حیرت‌انگیز این مراکز این است که اسپین الکترون‌های آن‌ها به کوچکترین تغییرات میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی یا دما به شدت حساس است. با استفاده از این فناوری، می‌توان حسگرهای مغناطیسی فوق‌دقیقی در ابعاد نانو ساخت. دانشجویانی که کار با این حسگرها را یاد می‌گیرند، در آینده قادر خواهند بود نسل جدیدی از دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی (MRI در سطح مولکولی) یا سامانه‌های ناوبری بدون نیاز به GPS را برای صنایع دفاعی و هوافضا طراحی کنند. نقاط کوانتومی (Quantum Dots) نیز از دیگر فناوری‌های مشابه هستند که به عنوان نشانگرهای زیستی درخشان برای تشخیص زودهنگام تومورهای سرطانی و رهایش هدفمند دارو در پزشکی نوین به کار می‌روند. اقتصاد نیروی کار، شکاف مهارتی و جبهه رقابت جهانی اقدام ایران در توسعه آموزش‌های تجربی کوانتوم، پاسخی به یک هشدار جهانی در زمینه کمبود نیروی کار متخصص است. با خروج فناوری کوانتوم از فاز نظری محض و ورود آن به مرحله مهندسی و تجاری‌سازی، ساختار تقاضا در بازار کار به شدت دگرگون شده است. براساس گزارش‌های نهادهای معتبر بین‌المللی، پیش‌بینی می‌شود که ارزش بازار فناوری‌های کوانتومی تا سال 2040 به بیش از 106 میلیارد دلار بالغ شود. با این وجود، شرکت‌های فناوری و دولت‌ها با بحران جدی «شکاف مهارت کوانتومی» (Quantum Skills Gap) مواجه هستند. آمارها حاکی از آن است که در حال حاضر، به ازای هر سه موقعیت شغلی ایجاد شده در صنعت کوانتوم، تنها یک کاندیدای واجد شرایط وجود دارد. علاوه بر این، بررسی آگهی‌های شغلی نشان می‌دهد که درصد بالایی از این مشاغل نیازمند مدرک دکترا هستند، در حالی که صنعت نیازمند تکنسین‌ها، مهندسان فوتونیک و توسعه‌دهندگان نرم‌افزاری است که با سخت‌افزارهای کوانتومی به صورت دست‌به‌یقه آشنا باشند. در سطح کلان ژئوپلیتیک، رقابت فشرده‌ای میان ایالات متحده و چین برای دستیابی به «برتری کوانتومی» (Quantum Supremacy) در جریان است. کشوری که بتواند در محاسبات کوانتومی و هوش مصنوعی به بلوغ برسد، قادر خواهد بود زیرساخت‌های دیجیتال جهانی را کنترل کرده، پیشرفت‌های علم مواد و داروسازی را در انحصار خود درآورد و برتری اطلاعاتی-نظامی بلامنازعی کسب کند. چین با سرمایه‌گذاری‌های متمرکز دولتی، در حوزه ارتباطات کوانتومی (نظیر پرتاب ماهواره Micius) پیشتاز است، در حالی که آمریکا با اتکا به مدل توزیع‌شده و شرکت‌های خصوصی غول‌پیکر خود، در تلاش برای پیشتازی در محاسبات است. در این میدان رقابت که هند و کشورهای اروپایی نیز به سرعت در حال ورود به آن هستند، کشورها استراتژی‌های ملی متعددی را تدوین کرده‌اند. ایجاد آزمایشگاه‌های آموزشی فیزیکی (در کنار پلتفرم‌های شبیه‌ساز مجازی مانند VQOL) در دانشگاه‌های ایران، دقیقاً با هدف آماده‌سازی بدنه مهندسی کشور برای ورود به این زنجیره ارزش جهانی صورت گرفته است. دانشجویی که در آزمایشگاه‌های اصفهان یا شریف با تداخل‌سنج‌ها کار کرده، نویز سیستم‌ها را حذف کرده و فوتون‌های منفرد را شمارش کرده است، از یک دانشجوی نظری‌دان به یک «مهندس فناوری کوانتوم» ارتقا می‌یابد که به سرعت در صنایع پیشرفته، مخابرات امن و شرکت‌های دانش‌بنیان داخلی قابل جذب است. گام اخیر معاونت علمی و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست‌جمهوری در تجهیز و راه‌اندازی سه آزمایشگاه مرجع در دانشگاه‌های صنعتی شریف، شهید بهشتی و اصفهان، نشانه‌ای روشن از ارتقای بلوغ اکوسیستم علمی ایران است. این اقدام، گذار از فاز «ترویج مفاهیم بنیادین» به فاز «مهندسی و توسعه سخت‌افزار» را کلید زده است. درهم‌تنیدگی سیاست‌گذاری‌های کلانِ مندرج در «سند ملی توسعه علوم و فناوری‌های کوانتومی» با اجرای دقیق زیرساخت‌های آکادمیک، نویدبخش ایجاد یک اکوسیستم پایدار است. با تربیت نسلی از مهندسان و پژوهشگران که در کنار درک فرمول‌های پیچیده ریاضی، توانایی تنظیم آینه‌های لیزری، کار با شمارشگرهای تک‌فوتونی و رصد عملی مراکز نقص الماس را دارند، کشور در مسیر بومی‌سازی فناوری‌های استراتژیک گام برمی‌دارد. برای دستیابی به اهداف اقتصاد دانش‌بنیان و بهره‌مندی از بازار عظیم 106 میلیارد دلاری پیش‌رو، استمرار این حمایت‌ها، توسعه شبکه آزمایشگاهی به سایر قطب‌های دانشگاهی کشور، تقویت ارتباط متقابل میان این آزمایشگاه‌ها با صنایع دفاعی و پزشکی، و تداوم سرمایه‌گذاری بخش خصوصی امری حیاتی خواهد بود. در صورت حفظ این شتاب توسعه، ایران قادر خواهد بود ضمن جلوگیری از عقب‌ماندگی در موج بعدی انقلاب صنعتی، جایگاه ژئوپلیتیک علمی خود را به عنوان یک بازیگر موثر در خاورمیانه و جهان تثبیت کند.