What to expect from the budding quantum industries / Cosa aspettarsi dalle industrie quantiche in via di sviluppo.

What to expect from the budding quantum industriesCosa aspettarsi dalle industrie quantiche in via di sviluppo.


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
quantum industries
(Image via Pixabay)
Dr Rhys Lewis, director of the Quantum Metrology Institute (QMI), outlines the various quantum industries expected to benefit from this new technological frontier.
For many, quantum technologies are synonymous with quantum computing. But quantum technologies are much more than this, and many are much closer to becoming commercial products.
Quantum technologies harness the surprising properties of single atoms, electrons and photons, and how they interact. The behaviour of quantum systems gives rise to many extraordinary properties which don’t appear at a larger scale. Our growing ability to detect, measure and manipulate these properties is about to create a new wave of innovations which will have an important impact on many industries, from electronics, to oil and gas, to civil engineering. And yes, also on computing.
Timing and navigation
Let’s start with a well-established quantum technology – atomic clocks. These use the frequency of a stable laser to create ‘ticks’, and the properties of atoms to tune this laser and ensure it never drifts.
Long confined to sophisticated timing labs, recent advances have created atomic clocks for industrial environments, such as the MINAC Miniature Atomic Clock, developed by NPL and now being commercialised by Teledyne-e2v.
These compact clocks will be important as technology gets smaller, faster and more precise. Electronic messages can be fired off billions of times per second divided up into separate packages. Accurately recording when they were sent is vital to putting them back together when they are received. The more accurate the timing, the more information you can send per second. Practical atomic clocks also provide an important alternative to GPS timing signals which are vulnerable to interruptions.
Sensing
The quantum state of particles can be affected by very small changes in magnetism or gravity. Using clouds of highly controlled atoms, we can detect the ‘fingerprints’ left by these changes.
A promising application is detecting corrosion, with applications in oil & gas and civil engineering. The disruption to a metal surface, or the presence of small pits due to corrosion can be detected through the altered pattern of the magnetic signature. This can be detected through paint or insulation which makes it a powerful new technique.
This same technology could be used to measure magnetic fields produced by the heart and brain to look for signs of neurodegenerative pathologies or heart disease. This could replace the SQUID systems used in hospitals for Magnetoencephalography brain scans which are large, expensive and require cryogenic liquids to operate.
Communications and computing
Some of the most exciting applications of quantum relate to transferring information encoded in particles.
Quantum key distribution (QKD) is one of the most commercially-advanced quantum technologies. It enables a secret key to be encoded into a series of photons, which can be used to encrypt and decrypt messages.
A fundamental aspect of quantum mechanics is that observing a quantum system changes its state. In QKD, any third party intercepting the photons, will change them. If the key arrives unchanged, parties can start sending encrypted messages, making transmission of information 100 per cent secure.
quantum industries
Quantum key distribution / Distribuzione quantistica delle chiavi (Credit: Sat-Electric via CC share alike license)
The Quantum Communications Hub has set up a fibre link between BT Labs in Ipswich and The University of Cambridge to test these and other quantum communications technologies in live environments –helping innovators develop smaller QKD devices and demonstrate practical applications to industry.
And finally, quantum computing. This takes advantage of quantum superposition – whereby particles can exist in two states simultaneously. This allows the creation of ‘qubits’, the quantum equivalent of bits which represent the 1s and 0s in digital communications but in the case of a quantum computer the qubit can also be a mixture of 1 and 0. For instance, a photon can be created in two different states which can represent either a 1 or a 0 or a mixture of those two states. This allows orders of magnitude more information to be stored than in ordinary computers, which in turn enables the creation of computers with unprecedented data processing speeds.
Who benefits?
The goal of The UK National Quantum Technologies Programme is to make the UK the centre of the emerging quantum industries, so the first beneficiaries will be the many quantum startups that this industry will spawn.
As for the end-users, they are many and varied. Oil and gas may use quantum sensors to find new reserves. Civil engineers can monitor the state of a site below ground level or the spread of corrosion through bridges. Hospitals will have access to more accurate and easy-to-use diagnostic tools for brain and heart conditions. R&D in pharma and chemical industries will be able to use quantum computers to model new drugs. Everyone will benefit from faster and safer communications and electronics. There is even a quantum wine quality analyser in development.

Where are we now?
Some of these technologies are still a decade away, others such as QKD are nearly here. Capability is advancing rapidly in a number of countries, and there is considerable academic, business and government resources behind making the quantum a success in the UK.
A remaining barrier to commercialisation is trust. These are complex technologies harnessing advanced physics. To realise their potential, buyers need to see them working and have independent validation of their capabilities.
Initiatives like the BT-Cambridge fibre link play an important role, as does our own work at the Quantum Metrology Centre, validating the claims of new quantum technologies. Since quantum technologies all hinge on being able to detect quantum states, the role of measurement cannot be overstated, both in developing the technologies – and providing end-users with assurance.
We have a way to go before quantum becomes mainstream, but there is undoubtedly momentum. The first Quantum Technologies Showcase in November 2015 had 200 delegates and a handful of exhibitors. This year’s had 900 delegates and over 80 exhibitors, many with close to market technologies. The government’s quantum fund is oversubscribed.
The technology is advancing apace. But perhaps more than any technology before it, success of quantum depends on working together. Innovators need to harness the expertise in research organisations to advance their technologies. End-users need to engage with innovators and national laboratories to ensure that emerging technologies meet their needs, and that they understand them well enough to deploy them in their organisations. Many are already doing so through the National Quantum Technologies Programme, but there are still vast opportunities for those ready to engage early in quantum’s development.
ITALIANO
Il dott. Rhys Lewis, direttore del Quantum Metrology Institute (QMI), delinea le varie industrie quantistiche che dovrebbero beneficiare di questa nuova frontiera tecnologica.
Per molti, le tecnologie quantistiche sono sinonimo di calcolo quantistico. Ma le tecnologie quantistiche sono molto più di questo e molte sono molto più vicine a diventare prodotti commerciali.
Le tecnologie quantistiche sfruttano le proprietà sorprendenti dei singoli atomi, elettroni e fotoni e del modo in cui interagiscono. Il comportamento dei sistemi quantistici dà origine a molte proprietà straordinarie che non appaiono su una scala più ampia. La nostra crescente capacità di rilevare, misurare e manipolare queste proprietà sta per creare una nuova ondata di innovazioni che avrà un impatto importante su molte industrie, dall'elettronica, al petrolio e al gas, all'ingegneria civile. E sì, anche sull'informatica.
Tempi e navigazione
Iniziamo con una tecnologia quantistica consolidata: gli orologi atomici. Questi usano la frequenza di un laser stabile per creare "impulsi elementari " e le proprietà degli atomi per accordare questo laser e assicurare che non si spostino mai.
A lungo confinati in sofisticati laboratori di temporizzazione, i recenti progressi hanno creato orologi atomici per ambienti industriali, come il MINAC Miniature Atomic Clock, sviluppato da NPL e ora commercializzato da Teledyne-e2v.
Questi orologi compatti saranno importanti in quanto la tecnologia diventa più piccola, più veloce e più precisa. I messaggi elettronici possono essere inviati  miliardi di volte al secondo divisi in pacchetti separati. Registrare con precisione quando sono stati inviati è fondamentale per rimetterli insieme quando vengono ricevuti. Più precisi sono i tempi, più informazioni è possibile inviare al secondo. Gli orologi atomici pratici forniscono inoltre un'importante alternativa ai segnali di temporizzazione GPS che sono vulnerabili alle interruzioni.
Rivelazione
Lo stato quantico delle particelle può essere influenzato da cambiamenti molto piccoli nel magnetismo o nella gravità. Usando nuvole di atomi altamente controllati, possiamo rilevare le "impronte digitali" lasciate da questi cambiamenti.
Un'applicazione promettente è la rilevazione della corrosione, con applicazioni nel settore petrolifero e del gas e nell'ingegneria civile. La rottura di una superficie metallica o la presenza di piccole fosse dovute alla corrosione possono essere rilevate attraverso il modello alterato della firma magnetica. Questo può essere rilevato attraverso la vernice o l'isolamento che lo rende una nuova tecnica potente.
Questa stessa tecnologia potrebbe essere utilizzata per misurare i campi magnetici prodotti dal cuore e dal cervello alla ricerca di segni di patologie neurodegenerative o di malattie cardiache. Ciò potrebbe sostituire i sistemi SQUID utilizzati negli ospedali per le scansioni cerebrali di Magnetoencefalografia, che sono grandi, costose e richiedono il funzionamento di liquidi criogenici.
Comunicazioni e informatica
Alcune delle più eccitanti applicazioni di quantum riguardano il trasferimento di informazioni codificate in particelle.
La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è una delle tecnologie quantistiche più avanzate dal punto di vista commerciale. Consente a una chiave segreta di essere codificata in una serie di fotoni, che possono essere utilizzati per crittografare e decodificare i messaggi.
Un aspetto fondamentale della meccanica quantistica è che l'osservazione di un sistema quantistico cambia il suo stato. In QKD, qualsiasi terza parte che intercetta i fotoni, li cambierà. Se la chiave arriva invariata, le parti possono iniziare a inviare messaggi crittografati, rendendo sicura la trasmissione delle informazioni al 100%.
Il Quantum Communications Hub ha creato un collegamento in fibra tra i BT Labs di Ipswich e The University of Cambridge per testare queste e altre tecnologie di comunicazione quantistica in ambienti live, aiutando gli innovatori a sviluppare dispositivi QKD più piccoli e dimostrare applicazioni pratiche all'industria.
E infine, l'informatica quantistica. Questo sfrutta la sovrapposizione quantistica - per cui le particelle possono esistere in due stati contemporaneamente. Ciò consente la creazione di "qubit", l'equivalente quantico di bit che rappresentano gli 1 e gli 0 nelle comunicazioni digitali, ma nel caso di un computer quantico il qubit può anche essere una miscela di 1 e 0. Ad esempio, un fotone può essere creato in due stati diversi che possono rappresentare un 1 o uno 0 o una miscela di questi due stati. Ciò consente di memorizzare più informazioni di ordine di grandezza rispetto ai normali computer, che a loro volta consentono la creazione di computer con velocità di elaborazione dei dati senza precedenti.
Chi beneficia?
L'obiettivo del programma nazionale Quantum Technologies del Regno Unito è quello di rendere il Regno Unito il centro delle emergenti industrie quantistiche, quindi i primi beneficiari saranno le numerose startup quantistiche che questo settore genererà.
Per quanto riguarda gli utenti finali, sono molti e vari. Petrolio e gas possono usare sensori quantici per trovare nuove riserve. Gli ingegneri civili possono monitorare lo stato di un sito al di sotto del livello del suolo o la diffusione della corrosione attraverso i ponti. Gli ospedali avranno accesso a strumenti diagnostici più precisi e facili da usare per le condizioni del cervello e del cuore. La ricerca e sviluppo nell'industria farmaceutica e chimica sarà in grado di utilizzare computer quantistici per modellare nuovi farmaci. Ognuno trarrà beneficio da comunicazioni ed elettronica più veloci e sicure. C'è anche un analizzatore di qualità del vino quantico in fase di sviluppo.
Dove siamo adesso?
Alcune di queste tecnologie sono ancora lontane un decennio, altre come QKD sono quasi qui. La capacità sta progredendo rapidamente in un certo numero di paesi, e ci sono considerevoli risorse accademiche, commerciali e governative che hanno reso il quantum un successo nel Regno Unito.
Un altro ostacolo alla commercializzazione è la fiducia. Queste sono tecnologie complesse che sfruttano la fisica avanzata. Per realizzare il loro potenziale, gli acquirenti devono vederli lavorare e avere una convalida indipendente delle loro capacità.
Iniziative come il collegamento in fibra BT-Cambridge svolgono un ruolo importante, così come il nostro lavoro al Quantum Metrology Center, che convalida le affermazioni di nuove tecnologie quantistiche. Poiché le tecnologie quantistiche dipendono interamente dalla capacità di rilevare stati quantici, il ruolo della misurazione non può essere sopravvalutato, sia nello sviluppo delle tecnologie, che nella fornitura di sicurezza agli utenti finali.
Abbiamo una strada da percorrere prima che il quantum diventi mainstream, ma c'è indubbiamente slancio. La prima vetrina di Quantum Technologies nel novembre 2015 aveva 200 delegati e una manciata di espositori. Quest'anno hanno avuto 900 delegati e oltre 80 espositori, molti con tecnologie vicine al mercato. Il fondo quantistico del governo è in eccesso.
La tecnologia sta avanzando rapidamente. Ma forse più di qualsiasi altra tecnologia prima, il successo di quantum dipende dal lavorare insieme. Gli innovatori devono sfruttare le competenze delle organizzazioni di ricerca per far progredire le loro tecnologie. Gli utenti finali devono impegnarsi con innovatori e laboratori nazionali per garantire che le tecnologie emergenti soddisfino i loro bisogni e che li comprendano abbastanza bene da poterli implementare nelle loro organizzazioni. Molti lo stanno già facendo attraverso il National Quantum Technologies Program, ma ci sono ancora grandi opportunità per coloro che sono pronti a impegnarsi presto nello sviluppo di Quantum.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/budding-quantum-industries/?cmpid=tenews_6886166&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79

Commenti

Post popolari in questo blog

Paracetamolo, ibuprofene o novalgina: quali le differenze? / acetaminophen, ibuprofen, metamizole : what are the differences?

Diminuire l'ossigeno per aumentare la longevità? / Decrease Oxygen to Boost Longevity?

Sci-Fi Eye: il nostro futuro urbano / Sci-Fi Eye: Our Urban Future