Moč fotonike: od vertikalnega kmetovanja do kvantnega računalništva

Katera panoga zaposluje dvakrat več ljudi v Združenem kraljestvu kot farmacevtska in več kot vesoljski ali "fintech" sektor? Odgovor je fotonika, glede na Photonics Leadership Group (PLG) – trgovsko združenje, ki zastopa več kot 120 članov na tem področju. Zadnjih nekaj let sledi in primerja vse nešteto aplikacij optičnih tehnologij ali fotonike. To ni lahka naloga glede na to, da večina izhaja iz stotin malih in srednje velikih podjetij. 

Glede na PLG UK Photonics 2035 Po poročilu je približno 76 000 ljudi zaposlenih v industriji fotonike v 1200 podjetjih v vseh regijah Združenega kraljestva, ki vsako leto ustvarijo 14.5 milijarde GBP prometa. Z bruto dodano vrednostjo v gospodarstvu 85 000 funtov na zaposlenega je fotonika peti najproduktivnejši proizvodni sektor Združenega kraljestva, piše v poročilu. Britanske univerze trdijo, da so vodilne v svetu na tem področju, saj približno 20 % svetovnih publikacij o fotoniki izvira iz Združenega kraljestva.

Še več, PLG ocenjuje, da bi lahko fotonika postala industrija za Združeno kraljestvo vredna 50 milijard funtov in ustvarila dodatnih 100 000 neposrednih delovnih mest do leta 2035. »Če bo vlada Združenega kraljestva vlagala v ključne transformativne tehnologije v fotoniki na ključnih vertikalnih trgih, bo prišlo še veliko več. kot so energija, zdravstvo in čisti transport skupaj z vlagatelji iz zasebnega sektorja,« pravi izvršni direktor PLG John Lincoln. Skupina dejansko ocenjuje, da bo približno 60 % gospodarstva Združenega kraljestva v prihodnosti neposredno odvisno od fotonike.

PLG je opravil odlično delo pri ozaveščanju o fotoniki in zastopanju svojih članov – od katerih mnogi sami niso dovolj veliki, da bi vplivali na vlade in vlagatelje tako, kot lahko velika farmacevtska in obrambna podjetja. Toda fotonika je zelo pomembna, saj izkorišča svetlobo za vse, od diagnosticiranja bolezni in laserske kirurgije do telekomunikacij in napredne proizvodnje. Fotonika je ključnega pomena za zagotavljanje vrednosti izdelkov in storitev potrošnikom in industriji.

Glede na Evropsko omrežje Photonics21, je bil svetovni trg za fotoniko leta 650 vreden 2020 milijard evrov, vendar so stvari, ki jih fotonika omogoča, ko so združene v izdelke, neverjetne. Pomislite na CCD in leče v pametnih telefonih ali na način, kako optični senzorji, tehnologija kamer in LIDAR omogočajo avtonomna vozila. Poročilo SPIE iz leta 2020 ocenjuje, da je vrsta trgov, ki jih omogoča fotonika, resnično neverjetnih 2 bilijona dolarjev na svetovni ravni.

Moč svetlobe

Torej, kakšno vrednost prinaša fotonika in kakšne vrste stvari počnejo podjetja za fotoniko? Najbolj očitna uporaba so komunikacije z optičnimi vlakni, ki so v zadnjih 50 letih zmanjšale svet, brez znakov upočasnitve napredka. Petabitne hitrosti prenosa podatkov so bile dosežene pred nekaj leti, medtem ko je Corning do leta 2017 poslal več kot milijardo kilometrov optičnih vlaken. Do leta 2035 bodo znotrajsatelitski laserji rutinsko omogočali konstelacijam satelitov v nizki zemeljski orbiti zagotavljanje hitrega interneta po vsem svetu tudi na najbolj oddaljene lokacije.

V proizvodnji fotonika omogoča digitalno rezanje, spajanje, označevanje, teksturiranje in 3D tiskanje materialov, zlasti kovin. Zahvaljujoč strojnemu vidu medtem fotonika prispeva k avtomatiziranim in robotiziranim sistemom, kot sta lasersko rezanje in varjenje. Dejansko industrijska predelava materialov predstavlja približno tretjino približno 11 milijard GBP vrednega svetovnega trga laserjev.

Potem je tu še »vertikalno kmetovanje«, pri katerem se pridelki gojijo v naloženih plasteh pod nadzorovanimi pogoji. Spektralno optimizirane svetleče diode lahko optimizirajo rast rastlin in  zmanjšajo izhlapevanje iz rastlin, kar pomeni, da potrebujejo veliko manj vode kot če rastejo na prostem. Verično kmetovanje odpravlja tudi pesticide.

Fotonika je zelo pomembna, saj izkorišča svetlobo za vse, od diagnosticiranja bolezni in laserske kirurgije do telekomunikacij in napredne proizvodnje.

Osnovna znanost je seveda odvisna od fotonike, pa naj gre za pospeševalnike delcev, teleskope ali detektorje gravitacijskih valov. Več kot polovica vseh podeljenih Nobelovih nagrad za fiziko v zadnjih 25 letih so bili povezani z odkritji v fotoniki ali pa so fotoniko uporabljali kot orodje.

In ne pozabite na ves svet kvantnega računalništva, komunikacij in kriptografije, ki neposredno temelji na fotoniki ali pa fotoniko potrebuje za delovanje. To je panoga, ki se resnično začenja razvijati. Podjetje s sedežem v Londonu Orca, Ki je prejel nagrado za ustanovitev podjetja z Inštituta za fiziko leta 2020, je pravkar prodal svoj prvi kvantni računalnik ministrstvu za obrambo Združenega kraljestva.

Koristi v resničnem svetu

Photonics prav tako pomaga svetu doseči net-zero zahvaljujoč visoko učinkovitim fotovoltaičnim sončnim celicam, medtem ko lahko napredni LIDAR – v kombinaciji z računalniško simulacijo – poveča proizvodnjo vetrnih elektrarn. Ocene PLG kažejo, da bo fotonika povečala učinkovitost novih in obstoječih vetrnih turbin za 1.5–2 %. Z majhnimi dodatnimi stroški bo to do leta 15 globalno zagotovilo dodatnih 2035 GW proizvodnih zmogljivosti – s čimer bi prihranili več kot 100 milijard funtov (približno enako petim jedrskim elektrarnam Hinkley Point C).

Svetloba je pomembna tudi v medicini. Obstajajo laserske korekcijske operacije oči, medtem ko celo optiki na visokem trgu dandanes uporabljajo široko paleto orodij za fotoniko. Med nedavnim očesnim testom v moji lokalni podružnici Specsavers sem klepetal z mojim optikom, za katerega se je zdelo, da ni vedel veliko o fiziki v ozadju sistema optične koherenčne tomografije (OCT), ki ga je uporabljal, vendar so ga slike navdušile. je lahko videl. S slikanjem očesnega ozadja na različnih globinah lahko optiki uporabljajo OCT za varno odkrivanje številnih zdravstvenih težav in težav z vidom, pogosto preden postanejo resne.

Optična vlakna, optični ojačevalniki in atomski uri sledljivi časovni žigi so izumi Združenega kraljestva. Varne kvantne komunikacije so pionir v Združenem kraljestvu. Pravzaprav bi rekel, da je Britanija v edinstvenem položaju, da bo v središču naslednje varne zaupanja vredne telekomunikacijske revolucije v omrežjih 5G in 6G – in širše. Po mnenju PLG bo Združeno kraljestvo do leta 2035 spet globalni ponudnik kritične komunikacijske infrastrukture.

Vse kar lahko rečem je, da če še niste vedeli o fotoniki, upam, da zdaj veste.