قدرت فوتونیک: از کشاورزی عمودی تا محاسبات کوانتومی

کدام صنعت در بریتانیا دو برابر بیشتر از داروسازی و بیشتر از بخش فضا یا بخش "فین تک" کار می کند؟ پاسخ فوتونیک است، با توجه به گروه رهبری فوتونیک (PLG) - یک انجمن تجاری که بیش از 120 عضو در این زمینه را نمایندگی می کند. در چند سال گذشته، تمام کاربردهای بی شمار فناوری های نوری یا فوتونیک را ردیابی و جمع آوری کرده است. با توجه به اینکه اکثر آنها از صدها شرکت کوچک و متوسط ​​سرچشمه می گیرند، این کار آسانی نیست. 

با توجه به PLG فوتونیک انگلستان 2035 گزارش، حدود 76 نفر در صنعت فوتونیک در 000 شرکت در تمام مناطق بریتانیا مشغول به کار هستند که هر سال 1200 میلیارد پوند گردش مالی ایجاد می کنند. این گزارش می گوید که با ارزش افزوده ناخالص به اقتصاد 14.5 پوند به ازای هر کارمند، فوتونیک پنجمین بخش تولیدی بریتانیا است. این ادعا می‌کند که دانشگاه‌های بریتانیا رهبران جهانی در این زمینه هستند و حدود 85 درصد از انتشارات جهانی در زمینه فوتونیک در بریتانیا منتشر می‌شوند.

علاوه بر این، PLG بر این باور است که فوتونیک می‌تواند به صنعت 50 میلیارد پوندی برای بریتانیا تبدیل شود و تا سال 100 000 شغل مستقیم ایجاد کند. جان لینکلن، مدیر اجرایی PLG می گوید: انرژی، مراقبت های بهداشتی و حمل و نقل پاک در کنار سرمایه گذاران بخش خصوصی. در واقع، این گروه تخمین می‌زند که حدود 2035 درصد از اقتصاد بریتانیا در آینده مستقیماً به فوتونیک وابسته خواهد بود.

PLG کار بزرگی در افزایش آگاهی از فوتونیک و نمایندگی اعضای آن انجام داده است - که بسیاری از آنها به تنهایی به اندازه کافی بزرگ نیستند که بتوانند بر دولت ها و سرمایه گذاران به روشی که شرکت های بزرگ دارویی و دفاعی می توانند تأثیر بگذارند. اما فوتونیک بسیار مهم است و نور را برای همه چیز از تشخیص بیماری و جراحی لیزر گرفته تا ارتباطات راه دور و ساخت پیشرفته به کار می گیرد. فوتونیک برای ایجاد ارزش محصولات و خدمات برای مصرف کنندگان و صنعت بسیار مهم است.

با توجه به شبکه فوتونیک 21 اتحادیه اروپابازار جهانی فوتونیک در سال 650 ارزشی معادل 2020 میلیارد یورو داشت، اما چیزهایی که فوتونیک در ترکیب با محصولات امکان پذیر می کند شگفت انگیز است. به CCD ها و لنزها در تلفن های هوشمند یا روشی که حسگرهای نوری، فناوری دوربین و LIDAR وسایل نقلیه خودران را فعال می کنند فکر کنید. گزارشی از SPIE در سال 2020 تخمین می زند که نوع بازارهایی که فوتونیک فعال می کند واقعاً 2 تریلیون دلار در سطح جهان است.

قدرت نور

بنابراین، فوتونیک چه نوع ارزشی ارائه می دهد و شرکت های فوتونیک چه کارهایی را انجام می دهند؟ بارزترین کاربرد، ارتباطات فیبر نوری است که در 50 سال گذشته جهان را کوچک کرده است، بدون اینکه نشانه ای از کند شدن پیشرفت وجود داشته باشد. نرخ داده پتابیت چند سال پیش به دست آمد، در حالی که تا سال 2017 کورنینگ بیش از یک میلیارد کیلومتر فیبر ارسال کرده بود. تا سال 2035، لیزرهای درون ماهواره ای به طور معمول به صورت فلکی ماهواره ای در مدار پایین اجازه می دهد تا اینترنت پرسرعت را در سراسر جهان حتی به دورافتاده ترین مکان ها ارائه دهد.

در تولید، فوتونیک امکان برش دیجیتال، اتصال، علامت گذاری، بافت و چاپ سه بعدی مواد، به ویژه فلزات را فراهم می کند. در همین حال، به لطف بینایی ماشین، فوتونیک به سیستم های خودکار و روباتیک مانند برش لیزری و جوش کمک می کند. در واقع، فرآوری صنعتی مواد حدود یک سوم از تقریباً 3 میلیارد پوند بازار جهانی لیزر را تشکیل می دهد.

سپس "کشاورزی عمودی" وجود دارد، که در آن محصولات در لایه های انباشته تحت شرایط کنترل شده رشد می کنند. دیودهای نوری بهینه شده طیفی می توانند هم رشد گیاه را بهینه کنند و هم  تبخیر گیاهان را کاهش می دهد، به این معنی که آنها به آب بسیار کمتری نسبت به زمانی که در فضای باز رشد می کنند نیاز دارند. کشاورزی وریکال آفت کش ها را نیز از بین می برد.

فوتونیک بسیار مهم است و نور را برای همه چیز از تشخیص بیماری و جراحی لیزر گرفته تا ارتباطات راه دور و تولید پیشرفته به کار می گیرد.

البته علوم پایه به فوتونیک بستگی دارد، خواه شتاب دهنده ذرات، تلسکوپ یا آشکارسازهای امواج گرانشی. در واقع، بیش از نیمی از جوایز نوبل در فیزیک اهدا می شود در سالهای آخر 25 یا مربوط به اکتشافات در فوتونیک بوده و یا از فوتونیک به عنوان ابزار استفاده شده است.

و کل دنیای محاسبات کوانتومی، ارتباطات و رمزنگاری را فراموش نکنید که یا مستقیماً بر اساس فوتونیک است یا برای عملکرد به فوتونیک نیاز دارد. این صنعتی است که واقعاً شروع به رشد کرده است. این شرکت مستقر در لندن نهنگ قاتل، که برنده جایزه راه اندازی کسب و کار شد از موسسه فیزیک در سال 2020، به تازگی اولین کامپیوتر کوانتومی خود را به وزارت دفاع بریتانیا فروخته است.

مزایای دنیای واقعی

فوتونیک همچنین به لطف سلول های خورشیدی فتوولتائیک بسیار کارآمد به جهان کمک می کند تا به صفر خالص برسد، در حالی که LIDAR پیشرفته - همراه با شبیه سازی کامپیوتری - می تواند خروجی نیروگاه های بادی را افزایش دهد. تخمین‌های PLG نشان می‌دهد که فوتونیک راندمان توربین‌های بادی جدید و موجود را 1.5 تا 2 درصد افزایش می‌دهد. با هزینه اضافی اندک، این کار تا سال 15 ظرفیت تولید 2035 گیگاواتی اضافی را در سراسر جهان فراهم می کند که بیش از 100 میلیارد پوند صرفه جویی می کند (تقریباً معادل پنج ایستگاه برق هسته ای Hinkley Point C).

نور در پزشکی نیز حیاتی است. جراحی چشم اصلاحی با لیزر وجود دارد، در حالی که این روزها حتی بینایی‌شناسان خیابان‌های مرتفع از طیف وسیعی از ابزارهای فوتونیک استفاده می‌کنند. در طی آزمایش اخیر چشمی در شعبه محلی خود از Specsavers، با بینایی‌شناسم صحبت کردم که به نظر می‌رسید اطلاعات زیادی در مورد فیزیک پشت سیستم توموگرافی انسجام نوری (OCT) که از آن استفاده می‌کرد نمی‌دانست، اما از تصاویر غافلگیر شد. او می توانست ببیند. با تصویربرداری از پشت چشم در اعماق مختلف، بینایی‌شناسان می‌توانند از OCT برای تشخیص ایمن طیفی از مشکلات سلامتی و بینایی، اغلب قبل از اینکه جدی شوند، استفاده کنند.

فیبر نوری، تقویت‌کننده‌های نوری و مهرهای زمان قابل ردیابی ساعت اتمی همگی اختراعات بریتانیا هستند. ارتباطات کوانتومی ایمن در بریتانیا پیشگام است. در واقع، من می‌توانم بگویم بریتانیا به‌طور منحصربه‌فردی در هسته اصلی انقلاب امن مخابراتی مطمئن در شبکه‌های 5G و 6G و فراتر از آن قرار دارد. به گفته PLG، تا سال 2035، بریتانیا یک بار دیگر یک تامین کننده جهانی زیرساخت های ارتباطی حیاتی خواهد بود.

تنها چیزی که می توانم بگویم این است که اگر قبلاً در مورد فوتونیک نمی دانستید، امیدوارم اکنون بدانید.