مهندسی کوانتوم

معرفی رشته مهندسی کوانتوم
تاریخچه رشته مهندسی کوانتوم
معرفی گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی
بازار کار و فرصت های شغلی گرایش انرژی، مواد و تکنولوژی کوانتومی
دروس و واحدهای گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی
شاخه های اصلی گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی
بازار کار و فرصت های شغلی گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی

⭕️معرفی رشته مهندسی کوانتوم:

✅مهندسی کوانتوم فرایند توسعه فناوری‌هایی است که از قوانین مکانیک کوانتوم بهره می‌برد. مهندسی کوانتوم از مکانیک کوانتوم به‌عنوان یک جعبه ابزار برای توسعه فناوری‌های کوانتومی مانند حسگرهای کوانتومی یا رایانه‌های کوانتومی استفاده می‌کند.
بسیاری از دستگاه‌هایی که انسان‌ها از آن‌ها استفاده می‌کنند، به اثرات مکانیک کوانتوم وابسته‌اند و در جامعه انقلابی ایجاد کرده‌اند، از جمله در پزشکی، ارتباطات نوری، اینترنت پرسرعت، و محاسبات با عملکرد بالا. پس از پیشرفت‌های تکنولوژیکی که لیزرها، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و ترانزیستورها را به ارمغان آورد، موج دوم فناوری‌های کوانتومی انتظار می‌رود تأثیر مشابهی بر جامعه بگذارد. این فناوری‌های جدید پیش‌بینی می‌شوند که از هم‌پراکندگی کوانتومی استفاده کنند، که مبتنی بر پیشرفت‌هایی است که در قرن گذشته در درک و کنترل سیستم‌های مقیاس اتمی حاصل شده است. اثرات مکانیک کوانتوم به‌عنوان منبعی در فناوری‌های نوین با کاربردهای فراگیر استفاده می‌شود، از جمله حسگرهای کوانتومی و تکنیک‌های نوین تصویربرداری،ارتباطات ایمن (اینترنت کوانتومی)

⭕️تاریخچه رشته مهندسی کوانتوم:

✅حوزه فناوری کوانتومی در کتابی از جرارد جی. میلبرن در سال ۱۹۹۷ مورد بررسی قرار گرفت. سپس مقاله‌ای در سال ۲۰۰۳ توسط میلبرن و جاناتان پی. داولینگ منتشر شد، و انتشار جداگانه‌ای توسط دیوید دویچ در همان سال.
استفاده از مکانیک کوانتومی در چندین فناوری مشهود بود. این فناوری‌ها شامل سیستم‌های لیزر، ترانزیستورها و دستگاه‌های نیمه‌هادی، و همچنین دستگاه‌های دیگری مانند تصویربرداری پرتو مغناطیسی می‌شود. آزمایشگاه علوم و فناوری دفاعی بریتانیا (DSTL) این دستگاه‌ها را تحت عنوان «کوانتوم ۱٫۰» دسته‌بندی کرد تا آن‌ها را از دستگاه‌هایی که به اصطلاح «کوانتوم ۲٫۰» نامیده می‌شود، متمایز کند. این تعریف به دسته‌ای از دستگاه‌ها اشاره دارد که به‌طور فعال حالت‌های کوانتومی ماده را با استفاده از اثرات ابرپوزیشن و درهم‌تنیدگی ایجاد، دستکاری و خوانش می‌کنند.

از سال ۲۰۱۰ به بعد، چندین دولت برنامه‌هایی برای اکتشاف فناوری‌های کوانتومی راه‌اندازی کرده‌اند، مانند برنامه فناوری‌های کوانتومی ملی بریتانیا، که چهار «هاب» کوانتومی ایجاد کرد. این هاب‌ها در مرکز فناوری‌های کوانتومی در سنگاپور و کوتِک، یک مرکز هلندی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیک، قرار دارند. در سال ۲۰۱۶، اتحادیه اروپا ابتکار پرچم‌دار فناوری‌های کوانتومی را معرفی کرد، که یک مگاپروژه ۱۰ ساله به ارزش ۱ میلیارد یورو است و مشابه پروژه‌های پرچم‌دار فناوری‌های نوظهور اروپایی است. در دسامبر ۲۰۱۸، ایالات متحده قانون ابتکار کوانتومی ملی را تصویب کرد که بودجه سالانه‌ای به مبلغ ۱ میلیارد دلار برای تحقیقات کوانتومی اختصاص می‌دهد.چین در حال ساخت بزرگ‌ترین مرکز تحقیقاتی کوانتومی جهان است و برنامه‌ریزی کرده است که ۷۶ میلیارد یوان (تقریباً ۱۰ میلیارد یورو) در این پروژه سرمایه‌گذاری کند.دولت هند نیز ۸۰۰۰ کرور روپیه (تقریباً ۱٫۰۲ میلیارد دلار آمریکا) در طول ۵ سال برای تقویت فناوری‌های کوانتومی تحت مأموریت کوانتومی ملی هند سرمایه‌گذاری کرده است.
در بخش خصوصی، شرکت‌های بزرگ سرمایه‌گذاری‌های زیادی در فناوری‌های کوانتومی انجام داده‌اند. سازمان‌هایی مانند گوگل، دی-ویو سیستمز، و دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا مشارکت‌ها و سرمایه‌گذاری‌هایی برای توسعه فناوری کوانتومی تشکیل داده‌اند.

⭕️گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی:

✅دانشجویان را با ویژگی‌های مواد در مقیاس نانو و تاثیر این ویژگی‌ها بر رفتار سیستم‌ها آشنا می‌کند. این گرایش، مفاهیمی از مکانیک کوانتومی تا کاربردهای عملی مانند محاسبات فوق‌سریع و طراحی سنسورهای بسیار دقیق را شامل می‌شود. این حوزه، بستر مناسبی برای پیشرفت و نوآوری در دنیای فناوری‌های مدرن فراهم می‌کند و برای دانشجویانی که به فناوری‌های پیشرفته و حل مسائل پیچیده صنعتی علاقه‌مند هستند، می‌تواند مناسب باشد.

⭕️بازار کار و فرصت های شغلی گرایش انرژی، مواد و تکنولوژی کوانتومی

✅فارغ‌التحصیلان مقطع ارشد گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی می‌توانند در زمینه‌های متنوعی به فعالیت بپردازند. این افراد قادرند در صنایع فناوری پیشرفته‌ای نظیر توسعه سنسورها و دستگاه‌های کوانتومی و محاسبات فوق‌سریع مشغول به کار شوند؛ همچنین از تکنولوژی‌های کوانتومی برای بهبود راندمان انرژی و ایجاد سیستم‌های انرژی پاک و پایدار بهره‌برداری می‌شود. در حوزه دفاع و امنیت، فارغ‌التحصیلان می‌توانند نقش مؤثری در توسعه سیستم‌های ارتباطی و رمزنگاری مبتنی بر تکنولوژی کوانتومی ایفا کنند؛ همچنین، در صنایع نیمه‌هادی، فارغ‌التحصیلان می‌توانند به توسعه و تولید قطعات الکترونیکی با استفاده از تکنولوژی‌های کوانتومی پرداخته و کارایی این قطعات را بهبود بخشند و مصرف انرژی را کاهش دهند.
این گرایش در عرصه پزشکی و بیوتکنولوژی نیز می‌تواند کاربردی باشد. استفاده از سنسورهای کوانتومی جهت تشخیص دقیق‌تر و درمان بیماری‌ها کمک شایانی می‌کند. علاوه بر این، موسسات تحقیقاتی و دانشگاه‌ها پروژه‌های پیشرفته‌ای در زمینه تکنولوژی کوانتومی دارند که فرصت‌های بسیاری برای تحقیق و توسعه علمی ایجاد می‌کنند. این تنوع و گستردگی فرصت‌های شغلی نشان‌دهنده ارزش و اهمیت بالای این گرایش در دنیای مدرن امروز است.

⭕️دروس و واحدهای گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی:

✅دروس جبرانی
کارآفرینی متکی به نوآوری 2 نظری
نوآوری از منظر اقتصادی

✅دروس اصلی
الکتروشیمی کاربردی 3 نظری
مکانیک کوانتومی پیشرفته 3 نظری/عملی
فیزیک حالت جامد پیشرفته 3 نظری/عملی
مکانیک آماری 3 نظری/عملی
اصول ترمودینامیک

✅لیست دروس اختیاری
شناسایی الگو 3 نظری
اصول ترمودینامیک 3 نظری
آشنایی با تکنیک‌های مشخصه‌یابی مواد 2 نظری/عملی
علم مواد محاسباتی 3 نظری/عملی
تکنیک‌های ساخت میکرو و نانوساختارها 3 نظری/عملی
مقدمه‌ای بر اطلاعات کوانتومی حالت جامد و محاسبات کوانتومی 2 نظری/عملی
میکروسکوپی الکترونی کاربردی 3 نظری/عملی
پروژه سال اول کارشناسی ارشد 3 عملی/آزمایشگاهی
میکرو و نانومواد پیشرفته برای چالش‌های انرژی 2 نظری/عملی
روش تحقیق و سمینار 2 نظری/عملی
سیستم‌های فوتوولتایک و سلول‌های خورشیدی 3 نظری/عملی
مغناطیس؛ اصول، مواد و خواص 3 نظری/عملی
اپتوالکترونیک کوانتومی 3 نظری/عملی
بلورشناسی 3 نظری/عملی
نانو مغناطیس و اسپین‌ترونیک: اصول و کاربرد 3 نظری/عملی
ادوات نیمه‌رسانا 3 نظری/عملی
اصول فوتونیک و اپتیک کوانتومی 3 نظری/عملی
فیزیک مزوسکوپیک 3 نظری/عملی
تقارن در مواد 3 نظری/عملی
فیزیک و فناوری دمای پایین 2 نظری/عملی
مشخصه‌یابی نانوساختارها به وسیله سنکروترون 2 نظری/عملی
مباحث ویژه در ماده چگال 2 نظری
نظریه ماده چگال برای پژوهشگران تجربی 2 نظری
طیف سنجی میدان نزدیک در سیستم‌های ابعاد پایین 3 نظری/عملی
فراوری مواد نرم 2 نظری/عملی
اصول بیونانوفناوری 2 نظری/عملی
نانوکاتالیست‌ها 2 نظری/عملی
مواد نرم پیشرفته 2 نظری/عملی
شیمی مواد پیشرفته چگال 3 نظری/عملی
سنتز، خصیصه یابی و کاربرد مواد دوبعدی 2 نظری/عملی
پلاسمونیک کاربردی 2 نظری/عملی
مواد آلی کاربردی 3 نظری/عملی
نانومواد؛ اصول فیزیکی و شیمیایی 3 نظری/عملی
اصول ماده چگال نرم 2 نظری/عملی
فناوری‌های نوظهور مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر 2 نظری/عملی
نانومواد و محیط ‌زیست 2 نظری
فناوری و ساخت باطری 3 نظری/عملی
الکتروشیمی کاربردی 3 نظری/عملی
بر هم کنش ماده و کوانتون 3 نظری/عملی
خواص مکانیکی مواد 3 نظری/عملی
ترموالکتریسیته و ادوات ترموالکتریک 3 نظری/عملی
ابرخازن‌ها 3 نظری/عملی
(مشترک با فرانسه)Photonic quantum devices 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Multiscale simulation of molecular systems 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Electronic quantum devices 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Quantum theory of light 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Advanced solid state physics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Electrons and phonons in nanostructures 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Bidimensional materials 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Quantum information 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Visits to Labs 1 عملی/آزمایشگاهی
(مشترک با فرانسه)Nanomagnetism and spintronics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Functional materials 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Quantum computing 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Imaging nano-objects 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Local and non-local spectroscopy 3 نظری
(مشترک با فرانسه)Devices and surface engineering 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Functional materials: advanced experimets 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter physics level 1: basics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter chemistry 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter physics level 3: correlated material physics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter physics level 2: magnetism and semiconductors physics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Materials for a sustainable world 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Coating and supported nanomaterials 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Physics of materials under extreme conditions 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Quantum chemistry 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Biomaterials and materials for living bodies 2 نظری
(مشترک با فرانسه)(Practical works: laboratories and simulations (LabS 2 عملی/آزمایشگاهی
(مشترک با فرانسه)Nanoelectronics and devices with molecules and nanoparticles 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Materials investigation methods: experimental and theory 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Surfaces, interfaces and nanostructures 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Experimental projects in nanosciences 2 عملی/آزمایشگاهی
(مشترک با فرانسه)Advanced condensed matter physics 3 نظری
مواد پیشرفته 3 نظری/عملی
(مشترک با فرانسه)Physics of macroscopic interfaces 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Nanostructures for optoelectronics and spintronics 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Non-crystalline solids and nanomineralogy 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Advanced condensed matter physics-Theory 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Nanomaterials and nanomedicine 1 نظری

(مشترک با فرانسه)Condensed matter physics level 1: basics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter chemistry 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter physics level 3: correlated material physics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Condensed matter physics level 2: magnetism and semiconductors physics 1 نظری
(مشترک با فرانسه)Materials for a sustainable world 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Coating and supported nanomaterials 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Physics of materials under extreme conditions 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Quantum chemistry 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Biomaterials and materials for living bodies 2 نظری
(مشترک با فرانسه)(Practical works: laboratories and simulations (LabS 2 عملی/آزمایشگاهی
(مشترک با فرانسه)Nanoelectronics and devices with molecules and nanoparticles 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Materials investigation methods: experimental and theory 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Surfaces, interfaces and nanostructures 2 نظری
(مشترک با فرانسه)Experimental projects in nanosciences

چنین فناوری‌هایی، که به فناوری‌های کوانتومی نسل دوم و یا بطور خلاصه فناوری‌های کوانتومی مشهورند، حاصل بهره‌گیری از ویژگی‌های غیرکلاسیکی مکانیک کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی، برهم‌نهی کوانتومی و اصل عدم قطعیت است. مطالعه چنین ویژگی‌هایی منجر به ظهور نظریه‌ اطلاعات کوانتومی شد که حاصل امتزاج مکانیک کوانتومی و نظریه اطلاعات می‌باشد.

نظر به اهمیت چنین فناوری‌هایی در عرصه‌های علمی و صنعتی آینده جهان، گروه فیزیک دانشگاه فردوسی مشهد نیز تقریبا از سال‌های ابتدایی قرن حاضر فعالیت‌های آموزشی و پژوهشی خود را در این حوزه از فیزیک آغاز نمود. فعالیت‌های پژوهشی گروه علوم و فناوری کوانتومی در زمینه های زیر است.

اطلاعات کوانتومی
درهم‌تنیدگی کوانتومی و نظریه منبعی کوانتومی
اندازه‌گیری‌های کوانتومی
برآورد کوانتومی و مترولوژی کوانتومی
ویژگی‌های غیرکلاسیکی در برهم‌کنش نور و اتم
تولید حالت‌های درهم‌تنیده در سامانه‌های اپتومکانیکی
تولید حالت‌های درهم‌تنیده در کیوبیت‌های ابررسانا
سامانه‌های کوانتومی باز و واهمدوسی کوانتومی

⭕️شاخه های اصلی گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی

✅ مهندسی مواد کوانتومی:
تمرکز بر توسعه و تحلیل مواد با خواص کوانتومی مانند فوق‌رساناها، مواد نیمه‌هادی کوانتومی و نانومواد.

✅ تکنولوژی های انرژی کوانتومی:
تحقیق و توسعه در زمینه استفاده از فناوری‌های کوانتومی برای بهینه‌سازی تولید، ذخیره‌سازی و مدیریت انرژی.

✅ محاسبات کوانتومی:
توسعه سیستم‌های محاسباتی که از پدیده‌های کوانتومی مانند تداخل و درهم‌تنیدگی برای انجام محاسبات فوق سریع استفاده می‌کنند.

✅ سنسورهای کوانتومی:
طراحی و ساخت سنسورهای بسیار دقیق که می‌توانند تغییرات اندک فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی را در محیط‌های مختلف تشخیص دهند.

✅ اتصالات و شبکه های کوانتومی:
توسعه فناوری‌های ارتباطی که امنیت بالایی بر پایه خواص کوانتومی مانند پدیده‌های کوانتومی تضمین می‌کنند.

⭕️بازار کار و فرصت های شغلی گرایش مواد، انرژی و تکنولوژی کوانتومی:

✅صنایع فناوری پیشرفته :
شرکت‌هایی که در زمینه توسعه دستگاه‌های کوانتومی، سنسورها، و محاسبات کوانتومی فعالیت می‌کنند.

✅بخش انرژی :
استفاده از تکنولوژی‌های کوانتومی برای بهبود راندمان انرژی و توسعه سیستم‌های انرژی پاک و پایدار.

✅دفاع و امنیت :
توسعه سیستم‌های ارتباطی و رمزنگاری بر پایه تکنولوژی کوانتومی که امنیت بالایی ارائه می‌دهند.

✅پزشکی و بیوتکنولوژی :
استفاده از سنسورهای کوانتومی برای تشخیص دقیق‌تر و درمان بیماری‌ها.

✅تحقیق و توسعه علمی :
موسسات تحقیقاتی و دانشگاه‌ها که در زمینه تکنولوژی کوانتومی پروژه‌های پیشرفته انجام می‌دهند.

✅صنایع نیمه هادی:
توسعه و تولید قطعات الکترونیکی با استفاده از تکنولوژی‌های کوانتومی برای بهبود کارایی و کاهش مصرف انرژی.