Țenea, Lili (2025), Utilizarea tehnologiilor cuantice în agricultura de precizie, Cunoașterea Științifică, 4:3, 25-38, https://www.cunoasterea.ro/utilizarea-tehnologiilor-cuantice-in-agricultura-de-precizie/

Using Quantum Technologies in Precision Agriculture

Abstract

The document that creates the legal framework in Romania regarding the implementation of quantum technologies in the Romanian economy is the “National Strategy in the Field of Quantum Technologies for the Period 2024-2029”. Romania has signed the European Declaration on Quantum Technologies. Through this, the signatory Member States have recognized the strategic importance of quantum technologies for the scientific and industrial competitiveness of the EU and have committed to collaborate to develop a world-class quantum technology ecosystem across Europe.

Keywords: Romania, Europe, quantum technologies, agriculture, strategy

Rezumat

Documentul care creează cadrul legal în România în ceea ce privește implementării tehnologiilor cuantice în economia românească este “Strategia națională în domeniul tehnologiilor cuantice pentru perioada 2024-2029”. România a semnat Declarația europeană privind tehnologiile cuantice. Prin aceasta, statele membre semnatare au recunoscut importanța strategică a tehnologiilor cuantice pentru competitivitatea științifică și industrială a UE și s-a   angajat să colaboreze pentru dezvoltarea unui ecosistem de tehnologie cuantică de clasa mondială în întreaga Europa.

Cuvinte cheie: România, Europa, tehnologii cuantice, agricultura, strategia

CUNOAȘTEREA ȘTIINȚIFICĂ, Volumul 4, Numărul 3, Septembrie 2025, pp. 25-38
ISSN 2821 – 8086, ISSN – L 2821 – 8086
URL:  https://www.cunoasterea.ro/utilizarea-tehnologiilor-cuantice-in-agricultura-de-precizie/
© 2025 Lili ȚENEA. Responsabilitatea conținutului, interpretărilor și opiniilor exprimate revine exclusiv autorilor.

Utilizarea tehnologiilor cuantice în agricultura de precizie

Dr. ing. Lili ȚENEA[1]
office.tenea@gmail.com

[1] Asociația Română de Cercetări Strategice Avansate, Nanotehnologii și Tehnologii Quantice sub patronajul Academiei Române

I. Cadrul legal al implementării tehnologiilor cuantice în economia românească

1. Documentul care creează cadrul legal în România în ceea ce privește implementării tehnologiilor cuantice în economia românească este “Strategia națională în domeniul tehnologiilor cuantice pentru perioada 2024-2029”
2. România a semnat Declarația europeană privind tehnologiile cuantice. Prin aceasta, statele membre semnatare au recunoscut importanța strategică a tehnologiilor cuantice pentru competitivitatea științifică și industrială a UE și s-a angajat să colaboreze pentru dezvoltarea unui ecosistem de tehnologie cuantică de clasa mondială în întreaga Europă.
3. “În Strategia Naționala de Cercetare, Inovare și Specializare Inteligentă 2022-2027, aprobată prin Hotărârea Guvernului nr. 933/2022, tehnologiile cuantice sunt asociate domeniilor intensive de specializare inteligentă care au potențial de a produce efecte de antrenare în economie și societate prin conceperea, realizarea și testarea de modele demonstrative pentru tehnologii noi sau cu îmbunătățiri semnificative, pe întregul traiect de la idee la piață. Astfel, având în vedere importanța strategică a tehnologiilor cuantice, în procesele periodice de descoperire antreprenoriala de la nivel național și regional, acestea sunt tratate ca elemente de importanță strategică pentru competitivitatea științifică și industrială a României în lanțurile valorice ale UE sau globale”

II. Fonduri europene nerambursabile destinate cercetării si implementării tehnologiilor cuantice

Tehnologiile cuantice sunt abordate în cadrul obiectivului specific 1.5 Conectarea activităților de cercetare și inovare cu provocările societale –Agenda Strategică de Cercetare din cadrul Strategiei Naționale de Cercetare, Inovare și Specializare Inteligentă 2022-2027 (SNCISI).  Subsumat acestor demersuri, România beneficiază de linii de finanțare disponibile la nivel național (PNCDI IV, PNRR, POEO 2022-2027, POTJ) și internațional (Programul Orizont Europa, Programele de Cooperare Interregională și Transfrontaliere, Erasmus+, Invest EU, etc).

III. Situația actuală în agricultură privind utilizarea tehnologiilor clasice și controlul proceselor tehnologice

Produsele agricole obținute prin tehnologii de cultură necontrolate reprezintă un risc major pentru sănătatea umană, fiind asociate cu intoxicații, boli cronice și probleme de sănătate pe termen lung. De aceea, este esențial ca agricultura să respecte standardele de control, siguranță și calitate pentru a proteja consumatorii și mediul precum și de a fi competitivă.  Impactul produselor agricole obținute printr-o cultură necontrolată asupra sănătății umane poate fi semnificativ și negativ, fiind influențat de mai mulți factori. Iată principalele riscuri și efecte potentiale:

1. Prezența pesticidelor și substanțelor chimice nocive;
2. Contaminarea cu microorganisme patogene;
3. Prezența reziduurilor de erbicide și fungicide;
4. Calitatea nutrițională scăzută;
5. Impactul asupra mediului și a sănătății pe termen lung;

IV. Domeniile tehnologice cuantice în care se încadrează tehnologia propusă

Proiectul propus se încadrează în cele patru domenii descrise și în Stretegia menționată, astfel:calculul cuantic: zona de bază pentru dezvoltarea noilor algoritmi, ce va avea o creștere  exponențială;

1. comunicațiile cuantice: care presupun utilizarea fizicii cuantice în comunicații;
2. detecție cuantică și metrologie: strategia pentru dezvoltarea senzorilor cuantici;
3. criptografie quantum-safe/post cuantică: acest tip de criptare are legătură tangențială cu conceptul de calculator cuantic, implică algoritmi de criptare eficienți (Shor și Grover), care împiedică decriptarea cheilor simetrice sau asimetrice folosite în prezent. Algoritmul Shor ar putea decripta datele criptate mult mai rapid decât algoritmii clasici. Algoritmul Grover folosește tehnici de amplificare a amplitudinii pentru a crește probabilitatea de a găsi soluția corectă după un anumit număr de iterații.

Această cerință de siguranță a cercetărilor este prevazută și in Strategia menționată.

Utilizarea tehnologiilor cuantice în agricultura de precizie este un domeniu emergent care are potențialul de a transforma modul în care se cultivă plantele și se gestionează inputurile pentru agricultură prin controlul asupra acestora. Iată câteva modalități prin care aceste tehnologii ar putea fi aplicate:

1. Senzori cuantici

Tehnologia senzorilor cuantici poate facilita măsurători extrem de precise ale variabilelor de mediu, cum ar fi umiditatea solului, temperatura, nivelul nutrienților și altele. Aceste date precise permit fermierilor să ia decizii mai bine informate în ceea ce privește irigarea, fertilizarea și gestionarea culturilor.

2. Calculatoare cuantice

Calculatoarele cuantice pot analiza cantități enorme de date legate de condițiile climatice, tipul solului și alte variabile. Aceste analize avansate pot ajuta la modelarea și simularea diferitelor scenarii de cultivare, optimizând astfel procesele de producție.

3. Imagini cuantice

Tehnologiile de imagistică bazate pe principii cuantice pot oferi o rezoluție mai bună și o detectare mai precisă a stării culturilor și a bolilor acestora. Aceste informații pot ajuta la gestionarea proactivă a sănătății plantelor.

4. Optimizarea resurselor

Prin utilizarea tehnologiilor cuantice, se poate realiza o utilizare mai eficientă a imputurilor precum apa, îngrășămintele, pesticidele, etc. Algoritmii cuantici pot analiza datele pentru a identifica cele mai bune practici de aplicare a acestora în funcție de necesitățile specifice ale culturilor.

5. Predicții avansate

Modelele predictibile bazate pe tehnologiile cuantice pot ajuta fermierii să anticipeze condițiile meteorologice și să își adapteze strategiile de plantare sau recoltare în funcție de aceste previziuni.

6. Biotehnologie și modificări genetice

Tehnologiile cuantice pot contribui la accelerarea proceselor de cercetare în biotehnologie, inclusiv la dezvoltarea unor culturi mai rezistente la boli sau condiții climatice adverse prin modificări genetice precise.

Integrarea tehnologiilor cuantice în agricultura de precizie ar putea oferi soluții inovatoare pentru provocările cu care se confruntă sectorul agricol, maximizând eficiența și sustenabilitatea. Totuși, aceste tehnologii sunt încă în fază de pionerat în dezvoltare, iar implementarea lor pe scară largă în agricultură va necesita atât investiții, cât și cercetări continue.

V. Implementarea tehnologiilor cuantice

Implementarea tehnologiilor cuantice în agricultura de precizie începe cu cercetare și dezvoltare, urmată de testare în teren, formare și infrastructură, și se finalizează cu adoptarea pe scară largă și optimizare continuă. Acest proces necesită colaborare între cercetători, ingineri, fermieri și factori de decizie pentru a valorifica pe deplin potențialul acestor tehnologii inovatoare.

1. S-a considerat, în cadrul cercetării, că implementarea acestor tehnologii în agricultura de precizie să înceapă cu analiza parametrilor determinanți în tehnologia de cultură  agricolă unde tehnologiile cuantice pot aduce beneficii utilizând senzori, procesare de date, modelare climatică, etc. De asemenea a fost necesară crearea unor parteneriate cu universități și institute specializate în fizică cuantică și tehnologii aplicate.
2. Pasul cel mai important a fost dezvoltarea și testarea unor senzori cuantici pentru măsurarea precisă a factorilor de mediu, nutrienți respectiv raportul N:P:K ( Azot, Fosfor, Potasiu), umiditate, etc, cunoscând faptul că orice organism viu emite în jurul sau un câmp electromagnetic denumit mai puțin științific și “AURA ”.
3. De precizat, câmpul electromagnetic al plantelor nu este definit în sensul clasic al câmpurilor electromagnetice generate de surse artificiale ci mai degrabă se referă la interacțiunea naturală dintre plante și câmpurile electromagnetice ambientale.

VI. Definirea câmpului electromagnetic al plantelor

Plantele, ca organisme biologice, pot fi influențate de câmpurile electromagnetice naturale ale mediului înconjurător, precum cele generate de Soare, câmpurile geomagnetice ale Pământului, sau radiația electromagnetică din atmosferă.

În interiorul plantelor, există semnale electrice și bioelectrice generate de procese fiziologice, cum ar fi transportul de nutrienți, răspunsul la stres, sau creșterea vegetală.

Aceste semnale pot fi măsurate ca diferențe de potențial electric sau ca și  câmpuri electrice generate în țesuturi.

Deși în mod natural, plantele nu generează câmpuri electromagnetice de intensitate semnificativă, anumite studii sugerează că pot emite mici semnale electrice sau electromagnetice, în special în timpul anumitor procese biologice.

Cercetările efectuate de alți cercetători au evidențiat efectele câmpurilor electromagnetice externe (de exemplu, cele generate de radiațiile solare, câmpurile geomagnetice sau câmpurile artificiale) asupra creșterii și dezvoltării plantelor.

În acele studii, se definește adesea „câmpul electromagnetic al plantelor” ca răspunsul lor la aceste câmpuri, sau ca semnalul electric biofizic emis de plante în anumite condiții.

VII. De ce utilizarea senzorilor cuantici ?

1. Sensibilitate extrem de ridicată

Senzorii cuantici pot detecta cele mai mici variații ale unor mărimi fizice precum câmpuri electromagnetice, gravitație, temperatură sau presiune.

Această sensibilitate se datorează fenomenelor cuantice precum interferența și superpoziția, care amplifică diferențele minuscule.

2. Precizie și acuratețe superioare

Datorită fenomenelor cuantice, senzori pot realiza măsurări cu o precizie mult  mai mare decât cei convenționali, uneori apropiindu-se de limitele fundamentale impuse de principiul Heisenberg. (a revoluționat fizica, fiind fundamentul pentru  dezvoltarea mecanicii cuantice și având implicații în tehnologie, precum în construcția de senzori cuantici computere cuantice și alte tehnologii avansate).

3. Rezistență la zgomot și interferențe

Senzorii cuantici pot fi proiectați pentru a fi mai puțin afectați de zgomotul de  fond sau interferențe externe, datorită tehnologiilor de corectare și control al  stării cuantice.

4. Capacitatea de măsurare în condiții extreme

Pot funcționa în medii dificile sau inaccesibile, unde senzorii tradiționali pot fi ineficienți sau invizibili.

Senzorii cuantici pot fi folosiți pentru a măsura cu o precizie foarte mare parametri precum umiditatea, nutrienții sau starea de sănătate a plantelor, contribuind astfel la optimizarea alocării imputurilor și la creșterea randamentului.

În concluzie, senzorii cuantici sunt importanți pentru că oferă posibilitatea de a realiza măsurători extrem de precise și sensibile, deschizând noi oportunități în cercetare și aplicații tehnologice avansate, inclusiv în agricultură de precizie, unde detectarea subtilă a schimbărilor din mediul înconjurător poate fi crucială.

Infrastructura de implementare a senzorilor cuantici în agricultura de precizie include echipamente specializate (senzori cuantici), rețele de comunicații rapide și sigure, centre de procesare a datelor, platforme software, personal tehnic calificat și suport logistic pentru întreținere și integrare cu alte tehnologii agricole. Aceasta asigură o monitorizare precisă și în timp real a mediului agricol, facilitând decizii eficiente și durabile

VIII. Comunicarea datelor și informațiilor în cadrul acestei infrastructuri

Comunicarea între componentele infrastructurii pentru senzorii cuantici în agricultura de precizie se realizează printr-un sistem integrat de transmitere, procesare și schimb de informații. Aceasta asigură colectarea datelor în timp real, analiza lor și transmiterea rezultatelor către utilizatori sau alte sisteme. Iată modul în care se efectuează această comunicare:

Senzorii cuantici măsoară parametri fizici sau chimici specifici (ex. câmp gravitațional, câmp electromagnetic).

Acești senzori pot fi conectați la dispozitive de colectare (drone, stații fixe, sateliți) sau pot fi integrați în platforme mobile.

Rețele de comunicații wireless (ex. 5G, LTE, LPWAN precum LoRaWAN, NB-IoT, satelit) sunt utilizate pentru a trimite datele către centrele de procesare sau cloud.

Pentru senzori mobili sau pe drone, comunicarea se face prin radio sau Wi-Fi.

Pentru senzori situați pe câmp, adesea se folosesc rețele de tip LPWAN pentru acoperire extinsă și consum redus de energie. Acest tip de comunicare are următoarele caracteristici:

Distanță lungă: De obicei între 2 km în mediul urban și peste 15 km în zonele rurale;

Costuri reduse: Infrastructura și dispozitivele sunt mai ieftine comparativ cu rețelele celulare tradiționale;

IX. Procesarea datelor si informațiilor

Datele ajung în centre de procesare (cloud sau servere locale), unde sunt stocate și prelucrate.

Se aplică algoritmi de inteligență artificială și machine learning pentru interpretarea informațiilor și generarea de rapoarte sau recomandări.

Se pot concepe platforme software și aplicații (web, mobile) care recepționează datele procesate și le afișează pentru fermieri, specialiști sau sisteme automate.

Rezultatele pot fi trimise prin notificări, alerte sau rapoarte personalizate.

Sistemele pot comunica între ele pentru automatizarea proceselor (ex. ajustarea irigării, aplicarea de fertilizanți) prin rețele de control interne sau IoT (Internet of Things).

X. Planual de amplasare al senzorilor cuantici

Considerente tehnice si tehnologice de amplasare a senzorilor

1. Suprafața este împărțită în zone (grid), fiecare cu o poziție pentru senzor. S1, S2, S3, etc. reprezintă pozițiile senzorilor.
2. Liniile și marcajele indică o orientare de tip grilă, pentru acoperire uniformă.

Variante de amplasare:

1. Se amplasează senzori la colțuri și în centru pentru acoperire optimă.
2. Se distribuie senzorii uniform astfel încât fiecare zonă să fie monitorizată.
3. Se poziționează senzorii pe înălțimi diferite dacă tehnologia o necesită, pentru a acoperi diferite aspecte ale terenului.

Recomandări:

În funcție de tehnologia specifică a senzorilor cuantici, poate fi necesar să ajustezi pozițiile pentru a evita interferențele. Se pot adăuga puncte de control suplimentare pentru verificare și întreținere.

XI. Particularități privind comunicarea între componentele infrastructurii

1. Securitatea datelor: criptarea și autentificarea pentru a proteja informațiile sensibile;
2. Interoperabilitatea: utilizarea de standarde și protocoale comune pentru ca diverse echipamente și platforme să poată comunica efficient;
3. Fiabilitatea și redundanța: sisteme de backup și rețele alternative pentru a evita pierderea datelor sau întreruperile;
4. Comunicarea între componentele infrastructurii se realizează prin rețele wireless (5G, LPWAN, satelit), protocoale standardizate (MQTT, REST), și platforme software care gestionează transmiterea, procesarea și afișarea datelor. Acest sistem integrat asigură flux continuu și sigur de informații esențiale pentru agricultura de precizie;

Senzorii cuantici captează informații despre mediul lor, cum ar fi câmpuri magnetice, umiditate, temperatură etc., transformând aceste mărimi în stări cuantice specifice;

Deoarece unitatea centrală (CPU sau sistem de procesare) nu poate comunica direct cu stări cuantice, semnalul trebuie să fie convertit într-o formă măsurabilă clasic. Acest proces implică măsurători cuantice, unde starea cuantică a senzorului este măsurată și apoi rezultatul este tradus în semnale electrice sau digitale.

XII. Aspecte economice ale implementarii acesti infrastructuri in agricultura de precizie

Costuri anuale de operare și mentenanță  30.000 – 50.000 EUR/an

Mentenanță, servicii, personal de monitorizare .

XIII. Rezumat comparativ pentru cultura de grâu

Concluzie:

Tehnologia cuantică aduce un avantaj clar în rentabilitate și profitabilitate, chiar și după acoperirea costurilor de infrastructură, fiind o investiție profitabilă pe termen mediu și lung.Tehnologia clasică este profitabilă, dar cu un profit mai modest, și depinde de costuri și prețuri stabile.

XIV. Diagrama comparativă – tehnologia clasică și tehnologia cuantică pentru cultura de grâu

XV. Analiza SWOT a tehnologiei propuse  comparativ cu tehnologia clasică

XVI. Analiza cost-beneficiu a tehnologiei cuantice pentru cultura de grâu

XVII. Analiza de mediu a tehnologiei cuantice

XVIII. Analiza de senzitivitate

Concluzii

1. Vulnerabilitatea principală a investiției în tehnologia cuantică este legată de prețul și productivitatea culturii, precum și de costurile inputurilor și infrastructurii.
2. Riscurile de piață (prețul grâului) și cele tehnice (costul infrastructurii) trebuie gestionate atent pentru a asigura rentabilitatea.
3. Strategia de diversificare și gestionare a riscurilor poate ajuta la reducerea impactului variațiilor negative asupra rezultatelor financiare.
4. Prețul grâului și prețul de vânzare: cele mai sensibile variabile; orice fluctuație de 10% poate afecta semnificativ VAN-ul și RIR.
5. Producția: influențează direct veniturile, iar o creștere de 10% poate îmbunătăți profitabilitatea cu aproximativ aceeași proporție.
6. Costurile imputurilor: reducerea cu 20% poate crește considerabil profitul, în timp ce creșterea costurilor le reduce.
7. Costul infrastructurii: influențează profitabilitatea pe termen scurt, dar amortizarea pe 10 ani temperează impactul.