Sức mạnh của lượng tử ánh sáng: từ canh tác thẳng đứng đến điện toán lượng tử

Ngành công nghiệp nào sử dụng gấp đôi số người ở Vương quốc Anh so với ngành dược phẩm và nhiều hơn cả lĩnh vực không gian hoặc “fintech”? Câu trả lời là quang tử, theo Nhóm lãnh đạo quang tử (PLG) – một hiệp hội thương mại đại diện cho hơn 120 thành viên trong lĩnh vực này. Trong vài năm gần đây, nó đã theo dõi và đối chiếu tất cả vô số ứng dụng của công nghệ quang học hoặc lượng tử ánh sáng. Đó không phải là nhiệm vụ dễ dàng vì hầu hết xuất phát từ hàng trăm doanh nghiệp vừa và nhỏ. 

Theo PLG Quang tử Vương quốc Anh 2035 báo cáo, khoảng 76 000 người đang làm việc trong ngành quang tử tại 1200 công ty trên tất cả các khu vực của Vương quốc Anh, tạo ra doanh thu 14.5 tỷ bảng Anh mỗi năm. Báo cáo cho biết, với tổng giá trị gia tăng cho nền kinh tế là 85 bảng Anh trên mỗi nhân viên, quang tử là lĩnh vực sản xuất có năng suất cao thứ năm của Vương quốc Anh. Nó tuyên bố, các trường đại học của Anh là những nhà lãnh đạo toàn cầu trong lĩnh vực này, với khoảng 000% ​​ấn phẩm toàn cầu về lượng tử ánh sáng bắt nguồn từ Vương quốc Anh.

Hơn nữa, PLG cho rằng quang tử có thể trở thành ngành công nghiệp trị giá 50 tỷ bảng Anh cho Vương quốc Anh và tạo thêm 100 việc làm trực tiếp vào năm 000. “Sẽ có nhiều việc hơn nữa nếu chính phủ Vương quốc Anh đầu tư vào các công nghệ biến đổi quan trọng trong quang tử ở các thị trường ngành dọc quan trọng John Lincoln, giám đốc điều hành của PLG cho biết, như năng lượng, chăm sóc sức khỏe và giao thông sạch cùng với các nhà đầu tư thuộc khu vực tư nhân. Thật vậy, nhóm ước tính rằng khoảng 2035% nền kinh tế Vương quốc Anh sẽ phụ thuộc trực tiếp vào lượng tử ánh sáng trong tương lai.

PLG đã và đang làm rất tốt việc nâng cao nhận thức về lượng tử ánh sáng và đại diện cho các thành viên của mình – nhiều người trong số họ không đủ lớn để tự mình gây ảnh hưởng đến các chính phủ và nhà đầu tư theo cách mà các công ty dược phẩm và quốc phòng lớn có thể làm. Nhưng quang tử cực kỳ quan trọng, khai thác ánh sáng cho mọi thứ, từ chẩn đoán bệnh và phẫu thuật laze cho đến viễn thông và sản xuất tiên tiến. Quang tử rất quan trọng để làm cho các sản phẩm và dịch vụ mang lại giá trị cho người tiêu dùng và ngành công nghiệp.

Theo Mạng Photonics21 của EU, thị trường quang tử toàn cầu trị giá 650 tỷ euro vào năm 2020, nhưng chính những thứ mà quang tử mang lại khi được kết hợp thành các sản phẩm mới là điều đáng kinh ngạc. Hãy nghĩ về CCD và ống kính trong điện thoại thông minh hoặc cách mà cảm biến quang học, công nghệ máy ảnh và LIDAR hỗ trợ xe tự hành. Một báo cáo từ SPIE vào năm 2020 ước tính loại thị trường mà lượng tử ánh sáng kích hoạt là 2 nghìn tỷ đô la thực sự đáng kinh ngạc trên toàn cầu.

Sức mạnh của ánh sáng

Vậy, quang tử mang lại giá trị gì và các công ty quang tử làm những việc gì? Ứng dụng rõ ràng nhất là thông tin liên lạc bằng sợi quang, đã thu hẹp thế giới trong 50 năm qua mà không có dấu hiệu chậm lại. Tốc độ dữ liệu Petabit đã đạt được vài năm trước, trong khi đến năm 2017, Corning đã vận chuyển hơn một tỷ km sợi quang. Đến năm 2035, các tia laser trong vệ tinh sẽ thường xuyên cho phép các chòm sao vệ tinh có quỹ đạo Trái đất thấp cung cấp Internet tốc độ cao trên toàn cầu đến cả những địa điểm xa xôi nhất.

Trong sản xuất, quang tử cho phép cắt, nối, đánh dấu, tạo kết cấu và in 3D vật liệu kỹ thuật số, đặc biệt là kim loại. Trong khi đó, nhờ thị giác máy, quang tử góp phần vào các hệ thống tự động và rô-bốt như cắt và hàn laze. Thật vậy, quá trình xử lý công nghiệp vật liệu chiếm khoảng một phần ba thị trường laser toàn cầu trị giá khoảng 11 tỷ bảng Anh.

Sau đó, có “canh tác thẳng đứng”, trong đó cây trồng được trồng theo lớp xếp chồng lên nhau trong các điều kiện được kiểm soát. Đi-ốt phát sáng được tối ưu hóa quang phổ có thể vừa tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng vừa  giảm bốc hơi từ thực vật, nghĩa là chúng cần ít nước hơn nhiều so với trồng ngoài trời. Canh tác chân thực cũng loại bỏ thuốc trừ sâu.

Quang tử cực kỳ quan trọng, khai thác ánh sáng cho mọi thứ, từ chẩn đoán bệnh và phẫu thuật laser đến viễn thông và sản xuất tiên tiến

Tất nhiên, khoa học cơ bản phụ thuộc vào lượng tử ánh sáng, cho dù đó là máy gia tốc hạt, kính viễn vọng hay máy dò sóng hấp dẫn. Thật vậy, hơn một nửa số giải Nobel vật lý được trao trong những năm cuối 25 có liên quan đến những khám phá về lượng tử ánh sáng hoặc đã sử dụng lượng tử ánh sáng như một công cụ.

Và đừng quên toàn bộ thế giới điện toán lượng tử, truyền thông và mật mã, hoặc trực tiếp dựa trên lượng tử ánh sáng hoặc yêu cầu lượng tử ánh sáng hoạt động. Đó là một ngành công nghiệp đang thực sự bắt đầu cất cánh. Công ty có trụ sở tại London Orca, Mà đạt giải khởi nghiệp kinh doanh từ Viện Vật lý năm 2020, vừa bán chiếc máy tính lượng tử đầu tiên cho Bộ Quốc phòng Vương quốc Anh.

Lợi ích trong thế giới thực

Quang tử cũng đang giúp thế giới đạt đến mức không có mạng lưới nhờ các tế bào năng lượng mặt trời quang điện hiệu quả cao, trong khi LIDAR tiên tiến – kết hợp với mô phỏng máy tính – có thể tăng sản lượng của các trang trại gió. Các ước tính của PLG cho thấy quang tử sẽ tăng hiệu suất của các tuabin gió mới và hiện có lên 1.5–2%. Với ít chi phí bổ sung, điều này sẽ cung cấp thêm 15 GW công suất phát điện trên toàn cầu vào năm 2035 – tiết kiệm hơn 100 tỷ bảng Anh (gần tương đương với năm nhà máy điện hạt nhân Hinkley Point C).

Ánh sáng cũng rất quan trọng trong y học. Có phẫu thuật chỉnh sửa mắt bằng laser, trong khi ngay cả các bác sĩ nhãn khoa đường phố ngày nay cũng sử dụng rất nhiều công cụ quang tử. Trong một lần kiểm tra mắt gần đây tại chi nhánh Specsavers địa phương của tôi, tôi đã trò chuyện với bác sĩ nhãn khoa của mình, người dường như không biết nhiều về vật lý đằng sau hệ thống Chụp cắt lớp mạch lạc quang học (OCT) mà anh ấy đang sử dụng, nhưng đã bị những hình ảnh này thổi bay. anh ta có thể nhìn. Bằng cách chụp ảnh đáy mắt ở các độ sâu khác nhau, bác sĩ nhãn khoa có thể sử dụng OCT để phát hiện một loạt các vấn đề về sức khỏe và thị lực một cách an toàn, thường là trước khi chúng trở nên nghiêm trọng.

Sợi quang học, bộ khuếch đại quang học và tem thời gian có thể theo dõi bằng đồng hồ nguyên tử đều là những phát minh của Vương quốc Anh. Truyền thông lượng tử an toàn đang được tiên phong ở Vương quốc Anh. Trên thực tế, tôi muốn nói rằng nước Anh có vị trí đặc biệt để trở thành trung tâm của cuộc cách mạng viễn thông đáng tin cậy an toàn tiếp theo trong mạng 5G và 6G – và hơn thế nữa. Theo PLG, đến năm 2035, Vương quốc Anh sẽ một lần nữa trở thành nhà cung cấp cơ sở hạ tầng truyền thông quan trọng trên toàn cầu.

Tất cả những gì tôi có thể nói là nếu bạn chưa biết về lượng tử ánh sáng, tôi hy vọng bạn sẽ biết ngay bây giờ.