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量子ロボティクスは、ロボット工学と量子力学の交差点を研究する学際的な分野です。この分野では特に、ロボット工学の領域における量子もつれなどの量子現象の応用を研究しています。その応用例としては、マルチエージェント協調ロボットシナリオでの量子通信、ロボットタスクの実行における量子アルゴリズムの使用、ロボットシステムへの量子デバイス（量子検出器など）の統合などがあります。[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
導入
モバイルプラットフォーム間の自由空間量子通信は、2017年にドローンを使用した再構成可能な量子鍵配布（QKD）アプリケーション向けに提案されました[8]。 この技術はその後、ドローン間、ドローンと移動車両、車両間のシステムなど、いくつかの構成でモバイルドローンと車両プラットフォームのさまざまな側面で進歩しました[9] [10] [11]。光航空機ダウンリンクでのBB84量子鍵配布の実証のための通信システム技術。[12]量子鍵配布受信機ペイロードの空中実証。[12] [13]。光航空機ダウンリンクでのBB84量子鍵配布の実証のための通信システム技術。[14]
他の研究者は、小型無人航空機用の小型、軽量、低消費電力の量子鍵配布システム[15]、モバイル自由空間光 QKD 用の偏光ベース受信機の特性評価[16]、およびドローンをモバイル ノードとして使用する光リレー エンタングルメント配布[17]に貢献しました。 モバイル プラットフォーム間の自由空間量子通信のトピックは、当初はモバイル ノードを使用した自由空間 QKD とエンタングルメント配布のニーズを満たすために実装されましたが、量子技術とロボット システム ドメイン間のインターフェイスを調査および探索するための新たな学際的なメカトロニクス トピックとしてロボット工学分野に持ち込まれました。 [1] [2] [3] [4] [5] [7]このような統合技術の主な利点は、マルチエージェントと協調型自律システム間の通信におけるセキュリティが保証されることです。しかし、このような進歩は、「量子ロボティクス」および「量子メカトロニクス」と呼ばれるものの基礎が築かれた後にのみ達成できます。[1] [2] [3] [4] [5] [7]この論文は、自由空間量子通信をロボット工学分野に統合する研究に必要な補完的な背景を提供することに貢献しています。その他の貢献には、で最初に提案された、教育目的の量子工学によるメカトロニクス分野の近代化が含まれます。[1] [2] [3] [4] [5] [7]この論文ではさらに、急速に変化する業界で成功するために将来のエンジニアリング労働力をトレーニングおよび準備するために必要な量子工学のトピックを紹介しています。特に、量子もつれ、暗号化、テレポーテーション、ベルテストなどの量子力学の基礎に関するトピックが提案されており、これらはエンジニアリングのカリキュラムや大学のプロジェクトに適しています。
アリスとボブのロボット
量子力学の分野では、アリスとボブという名前は、さまざまな現象、プロトコル、アプリケーションを説明するために頻繁に使用されます。これらには、量子暗号、量子鍵配送、量子もつれ、量子テレポーテーションにおける役割が含まれます。「アリスロボット」と「ボブロボット」[1] [2] [ 3] [4] [5] [7]という用語は、量子力学のアリスとボブの概念をメカトロニクスモバイルプラットフォーム（ロボット、ドローン、自律走行車など）と融合させた類似表現として機能します。たとえば、アリスロボットは、受信検出器を収容し、ボブロボットと通信する送信プラットフォームとして機能します。
自発的なパラメトリックダウンコンバージョンプロセスを通じて量子もつれを実現するための実験装置の概略図を図に示します。
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レーザー光源、アリス、ボブを含む実験セットアップを下図に示します。
アリスとボブ、および対応するコンポーネント。
移動するロボット プラットフォーム間で量子通信または量子鍵配布の実験セットアップでエンタングルメントされた光子を共有するときの Alice ロボットと Bob ロボットの概略図を図に示します。
図で使用されている命名法:
AL: アライメントレーザー
DMSP: ショートパスダイクロイックミラー
FSM: 高速ステアリングミラー
FFC: 固定焦点コリメータ
HWP: 半波長板
M: ミラー
MTC: モーショントラッキングカメラ
MTC & M: モーショントラッキングカメラとミラー
NBF: 狭帯域フィルタ
NPBS: 非偏光ビームスプリッターキューブ (50:50)
PABBO:ペアホウ酸バリウム(BBO) 結晶 (タイプ I SPDC 結晶)
PBS: 偏光ビームスプリッターキューブ
PSD: 位置検知検出器
QP: クォーツプレート
QRC: QRコード
SL: ソースレーザー
SPCM: 単一光子カウンターモジュール
参考文献
- ^ abcde Farbod Khoshnoud、Lucas Lamata、Clarence W. De Silva、Marco B. Quadrelli、「動的システムと自律性の制御のための量子テレポーテーション」、Journal of Mechatronic Systems and Control、第49巻、第3号、pp. 124-131、2021年。
- ^ abcde Lamata, Lucas; Quadrelli, Marco B.; de Silva, Clarence W.; Kumar, Prem; Kanter, Gregory S.; Ghazinejad, Maziar; Khoshnoud, Farbod (2021年10月12日). 「量子メカトロニクス」.エレクトロニクス. 10 (20): 2483. doi : 10.3390/electronics10202483 .
- ^ abcde Farbod Khoshnoud、Maziar Ghazinejad、「ロボットシステムネットワーク向け自動量子もつれと暗号化」、IEEE/ASME 国際メカトロニクスおよび組み込みシステムとアプリケーション会議 (MESA)、IDETC-CIE 2021、仮想会議: 8 月 17 日～20 日、DETC2021-71653、2021 年。
- ^ abcde Lamata, Lucas; Aiello, Clarice D.; Quadrelli, Bruno Marco; Ghazinejad, Maziar; de Silva, Clarence W.; Khoshnoud, Farbod; Bahr, Behnam (2021年4月23日). 「量子工学によるメカトロニクスコースの近代化、アメリカ工学教育協会」 。 2023年9月7日閲覧。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ abcde Khoshnoud, Farbod; Esat, Ibrahim I.; de Silva, Clarence W.; Quadrelli, Marco B. (2019年4月). 「協調型無人自律システムの量子ネットワーク」.無人システム. 07 (2): 137–145. doi :10.1142/S2301385019500055. ISSN 2301-3850. S2CID 149842737. 2023年9月7日閲覧。
- ^ Tandon, Prateek; Lam, Stanley; Shih, Ben; Mehta, Tanay; Mitev, Alex; Ong, Zhiyang (2017). 「はじめに」。量子ロボティクス: 現在の科学と将来の展望の入門書。 量子コンピューティングに関する統合講義。 Springer International Publishing。 pp. 1–3。doi :10.1007/978-3-031-02520-4_1。ISBN 978-3-031-02520-4. 2023年9月7日閲覧。
- ^ abcde Farbod Khoshnoud、Marco B. Quadrelli、Enrique Galvez、Clarence W. de Silva、Shayan Javaherian、B. Bahr、M. Ghazinejad、AS Eddin、M. El-Hadedy、量子ブレイン コンピューター インターフェイス、ASEE PSW、2023、プレス中。
- ^ PG Kwiat、DJ Gauthier、「再構成可能な自由空間量子暗号システム」、米国特許番号：US 2017/0250805 A1、2017年。
- ^ A. Conrad、D. Chaffee、J. Chapman、C. Chopp、K. Herdon、A. Hill、D. Sanchez-Rosales、J. Szabo、DJ Gauthier、PG Kwiat、「ドローンベースの量子鍵配布」、米国物理学会紀要、3月会議、第64巻、第2号、3月4～8日、マサチューセッツ州ボストン、米国、2019年。
- ^ S. Isaac、A. Conrad、A. Hill、K. Herndon、B. Wilens、D. Chaffee、D. Sanchez-Rosales、R. Cochran、D. Gauthier、および P. Kwiat、「ドローンベースの量子鍵配布」、2020 Conference on Lasers and ElectroOptics (CLEO)、サンノゼ、カリフォルニア州、米国、2020 年、pp. 1-2。
- ^ Andrew Conrad、Samantha Isaac、Roderick Cochran、Daniel Sanchez-Rosales、Tahereh Rezaei、Timur Javid、AJ Schroeder、Grzegorz Golba、Daniel Gauthier、Paul Kwiat、「Drone-Based Quantum Communication Links」、Proceedings of SPIE - The International Society for光工学、ボリューム 12446、量子コンピューティング、コミュニケーション、およびシミュレーション III 2023、米国サンフランシスコ、2023 年 2 月]。
- ^ ab Florian Moll、Sebastian Nauerth、Christian Fuchs、Joachim Horwath、Markus Rau、Harald Weinfurter、「光学航空機ダウンリンクでの BB84 量子鍵配布の実証のための通信システム技術」、Proc. SPIE 8517、大気圏および海洋を介したレーザー通信および伝播、851703 (2012 年 10 月 24 日); https://doi.org/10.1117/12.929739]。
- ^ Kagan, E., & Ben-Gal, I. (2011). 「量子制御モバイルロボットのナビゲーション」(PDF)。モバイルロボット工学の最近の進歩、15、311-220。
{{cite web}}: CS1 maint: 複数名: 著者リスト (リンク) CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) - ^ 、および量子鍵配送受信機ペイロードの空中デモンストレーション Christopher J Pugh、Sarah Kaiser、Jean-Philippe Bourgoin、Jeongwan Jin、Nigar Sultana、Sascha Agne、Elena Anisimova、Vadim Makarov、Eric Choi、Brendon L Higgins、Thomas Jennewein]。
- ^ C. Quintana、P. Sibson、G. Erry、Y. Thueux、E. Kingston、T. Ismail、G. Faulkner、J. Kennard、K. Gebremicael、C. Clark、C. Erven、S. Chuard、M. Watson、J. Rarity、および D. O'Brien、「小型無人航空機向けの低サイズ、軽量、低消費電力の量子鍵配布システム」、Proc. SPIE 10910、Free-Space Laser Communications XXXI、1091014、2019年3月。
- ^ W. Miller、A. DeCesare、R. Snyder、D. Carvalho、PM Alsing、D. Ahn、(2020)。モバイル自由空間光QKDに向けて：偏光ベース受信機の特性評価、Proceedings of the SPIE、Volume 11391、id. 1139105 10 pp.、2020年。]
- ^ H.-Y. Liu、X.-H. Tian、C. Gu、P. Fan、X. Ni、R. Yang、J.-N. Zhang、M. Hu、J. Guo、X. Cao、X. Hu、G. Zhao、Y.-Q. Lu、Y.-X. Gong、Z. Xie、およびS.-N. Zhu、「ドローンをモバイルノードとして使用した光リレーエンタングルメント配信」、Physical Review Letters、126、020503、2021年。