Квантовые компьютеры привлекают много внимания, хотя они еще не готовы к широкому использованию. Но квантовые сенсоры уже приносят реальную пользу. Эти устройства измеряют поля, силы и движения, настолько слабые, что обычный фоновый шум попросту их заглушает. Некоторые сенсоры уже используются повседневно, а другие переходят из исследовательских лабораторий в летные испытания, больницы и полевые приборы.
Например, человеческий мозг генерирует магнитные сигналы в диапазоне фемтотесла — пикотесла. Это в миллиарды раз слабее, чем магнитное поле холодильного магнита, и гораздо слабее магнитного шума в обычной комнате. Именно поэтому сканеры мозга, измеряющие эти сигналы, нуждаются в сверхчувствительных детекторах и сильной магнитной изоляции. В некоторых больницах такие детекторы используют квантовую технологию, чтобы картировать активность мозга перед операцией по удалению эпилепсии, не прикасаясь к мозгу.
Квантовые сенсоры появляются и в других областях: в навигации, когда сигналы GPS заглушены или подделаны; в картировании гравитации, чтобы обнаружить подземные полости; а также помогают астрономам точнее измерять гравитационные волны. Я — исследователь в области фотоники и квантовых технологий. Моя лаборатория применяет физику для разработки различных устройств, включая квантовые сенсоры.
Что такое квантовый сенсор?
Сенсор превращает физический эффект — температуру, давление, свет, ускорение или магнитное поле — в число. Большинство сенсоров делают это с помощью инженерных компонентов: пружин, катушек или компьютерных чипов. Но эти компоненты могут «дрейфовать» (терять точность) со временем или при нагревании.
Квантовый сенсор использует крошечную квантовую систему в качестве «активного ингредиента», который взаимодействует с миром для измерения физической величины. Чаще всего в качестве квантовых систем выбирают атомы, спины электронов и сверхпроводящие цепи.
У атома есть фиксированный набор энергетических уровней. Свет или микроволны могут переводить его между этими уровнями только на строго определенных частотах. Магнитное поле, движение или гравитация могут сдвигать эти частоты или менять фазу волны атома, и сенсор превращает этот сдвиг в измерение.
Спин — это внутреннее свойство электронов, которое заставляет их вести себя как нечто среднее между волчком и крошечным магнитом. Использование спинов в качестве сенсора означает измерение того, как магнитное поле заставляет спин «вибрировать». Спин подобен волчку, а магнитное поле — вашему пальцу, нежно касающемуся волчка. То, насколько сильно волчок вибрирует в ответ, показывает, насколько сильно вы его коснулись (по аналогии с измерением силы магнитного поля).
Другой тип квантового сенсора — сверхпроводящая цепь, электрический контур, охлажденный до чрезвычайно низких температур, чтобы ток тек без сопротивления. Сверхпроводящий квантовый интерферометр (SQUID) представляет собой сверхпроводящую петлю. Эта электрическая петля чувствительна к крошечным изменениям магнитных полей, которые регистрируются как измеримые изменения в электрическом сигнале от устройства.
Большинство квантовых сенсоров следуют трехэтапному циклу: они подготавливают известное квантовое состояние, позволяют миру слегка его изменить, а затем считывают это изменение. Многие устройства формируют волнообразную интерференционную картину между двумя квантовыми системами — подобно тому, как две пересекающиеся рябь создают узоры на пруду. Устройства измеряют, как эта картина меняется в ответ на изменения окружающей среды.
Преимущества квантовых сенсоров
Квантовые сенсоры не автоматически лучше во всем, и они все еще полагаются на классическую инженерию. Но у них есть три преимущества:
-
Они естественно единообразны. Атомы одного типа идентичны, поэтому чувствительный элемент одинаков от устройства к устройству и менее подвержен дрейфу, чем многие механические детали.
-
Они реагируют на крошечные воздействия. Даже слабое поле может измеримо изменить квантовое состояние — при условии, что устройство достаточно защищено от помех (шума).
-
Инженеры могут перераспределять шум. Такие методы, как «сжатый» свет, не удаляют шум, но могут перенести неопределенность из той части измерения, которая наиболее важна.
Магнетизм: от сканирования мозга до отладки чипов
Один из зрелых примеров квантового сенсора — клинический метод визуализации мозга под названием магнитоэнцефалография (МЭГ). МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые активностью мозга, и используется в исследованиях и клиниках, в том числе для картирования эпилептической активности и важных областей мозга перед операцией. Обычно в нем используются датчики на основе SQUID, помещенные в экранированные комнаты.
Более новые магнитометры могут не нуждаться в таком же экстремальном охлаждении, как SQUID. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) разработал атомные магнитометры чипового масштаба, работающие при комнатной температуре. NIST и другие исследовательские группы изучают их для биомедицинского применения, поскольку они могут измерять слабые поля мозга и сердца без криогенного охлаждения, необходимого для SQUID.
Центры с азотными вакансиями — еще один тип квантовой системы, используемый в сенсорах. Он основан на специфическом «дефекте» в алмазе: атом азота рядом с пустотой от отсутствующего атома углерода. Этот дефект действует как квантовый спин, который можно подготовить с помощью света, возмутить магнитными полями и считать, подсчитывая испускаемые фотоны. Такие сенсоры не предназначены для сканирования всего мозга. Их сила — высокое пространственное разрешение: они могут картировать магнитные поля на масштабах в десятки нанометров, помогая визуализировать крошечные магнитные структуры, изучать материалы и даже картировать токи в микроволновых и электронных устройствах, таких как компьютерные чипы.
Движение: навигация, когда спутниковые сигналы недоступны
Когда сигналы спутниковой навигации заблокированы или им нельзя доверять, навигация полагается на акселерометры и гироскопы, подобные тем, что есть в вашем смартфоне. Проблема в дрейфе: крошечные ошибки накапливаются со временем. Холодно-атомные сенсоры предлагают иной подход. В обычном акселерометре небольшой объект внутри сенсора отстает при ускорении. В атомном интерферометре облако охлажденных лазером атомов играет эту роль, и их материальные волны интерферируют таким образом, что это зависит от ускорения и вращения.
Эти квантовые навигационные системы пока не стали стандартным оборудованием. Но агентства и компании тестируют их, поскольку они могли бы обеспечить резерв, когда спутниковые сигналы слабы, заблокированы или подделаны. Европейское космическое агентство описывает «сверхчувствительные» квантовые сенсоры как потенциальные вспомогательные навигационные инструменты, отмечая, что проблема заключается в том, чтобы сделать их надежными и устойчивыми за пределами лаборатории. Правительство Великобритании также публично описывало летные испытания квантовой навигационной технологии как дополнительный уровень устойчивости.
Гравитация: карты, раскрывающие воду, минералы и пустоты
Гравитационное зондирование использует схожую физику. Если вы можете измерять крошечные изменения силы тяжести от места к месту, вы можете определить скрытую структуру под землей. Лаборатория реактивного движения NASA разрабатывает Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder — космический квантовый сенсор, предназначенный для картирования тонких гравитационных изменений, связанных с подземными особенностями, такими как водоносные горизонты и месторождения полезных ископаемых.
Этот гравитационный сенсор все еще находится в разработке. Система будет использовать два облака сверхохлажденных атомов рубидия в качестве пробных масс. Охлажденные почти до абсолютного нуля, атомы ведут себя как волны. Инструмент будет сравнивать ускорение двух атомных волн. Небольшая разница, обнаруженная в местах расположения двух облаков, указывает на гравитационную аномалию, вызванную скрытой массой.
Наблюдение Вселенной: «сжатие» света для преодоления квантового шума
Некоторые из самых известных сенсоров в науке измеряют невероятно малые изменения расстояния. Гравитационно-волновые обсерватории, такие как LIGO, делают это, разделяя лазерный луч так, чтобы он проходил по двум 4-километровым трассам под прямым углом и отражался от зеркал на концах. Когда гравитационная волна, вызванная далеким космическим событием (например, слиянием двух черных дыр), проходит через устройство, время прохождения двух лучей становится немного разным.
Это квантово-усиленное зондирование. Обсерватория измеряет изменение расстояния, но квантовая физика устанавливает один из пределов ее чувствительности — квантовый шум. LIGO сообщает, что использует «частотно-зависимое сжатие» — метод уменьшения квантового шума, который помогает детекторам исследовать больший объем Вселенной и находить примерно на 60% больше слияний, чем раньше.
Подводный камень
Квантовые состояния деликатны. Вибрации, посторонние поля и перепады температуры могут «смыть» интерференционную картину или нарушить спиновое состояние. Вот почему многие из самых чувствительных устройств до сих пор используют вакуумные камеры, лазеры и экранирование.
Квантовые сенсоры уже работают там, где важны крошечные сигналы: в часах, больницах и обсерваториях. Следующий шаг — сделать эти сенсоры меньше, дешевле и достаточно прочными для работы за пределами специализированных лабораторий.
Но есть одна область, где квантовые сенсоры только начинают раскрывать свой потенциал, — это поиск темной материи.
Физики уже несколько десятилетий знают, что большая часть массы Вселенной состоит из неизвестной субстанции, которую мы не можем увидеть. Теоретики предполагают, что темная материя может состоять из чрезвычайно легких частиц (аксионов), которые слабо взаимодействуют с обычным веществом. Квантовые сенсоры идеально подходят для их обнаружения. Если аксион существует, он должен вызывать крошечные колебания электромагнитных полей или спинов атомов — именно то, что умеют измерять эти устройства. Несколько экспериментов по всему миру уже используют алмазные сенсоры с азотными вакансиями и сверхпроводящие интерферометры в качестве «квантовых антенн», настроенных на поиск аксионов в определенном диапазоне масс.
Другое захватывающее направление — медицинская диагностика нового поколения. Современные квантовые магнитометры настолько чувствительны, что могут улавливать магнитные сигналы отдельных нейронов. В ближайшем будущем это позволит отказаться от громоздких и дорогих МРТ-сканеров в пользу портативных приборов, которые можно будет надевать на голову наподобие шапочки для душа. Такие устройства смогут непрерывно мониторить активность мозга у пациентов с болезнью Паркинсона, шизофренией или даже читать намерения человека (что, конечно, поднимает множество этических вопросов). Однако, по мнению большинства исследователей, до создания полноценного «квантового нейроинтерфейса» еще далеко — не из-за ограничений чувствительности, а из-за того, что мы до сих пор не полностью понимаем, как расшифровать сложные паттерны мозговой активности.
Наконец, в геологоразведке квантовые гравиметры могут совершить революцию, аналогичную переходу от компаса к GPS. Сегодня, чтобы найти подземное месторождение нефти или газа, нужно бурить скважину вслепую или использовать сейсморазведку (которая создает ударные волны и может быть вредна для экологии). Квантовый гравиметр позволит просто пролететь над территорией на дроне и получить подробную карту гравитационных аномалий — там, где сила тяжести чуть выше, может быть плотная руда; где чуть ниже — пустота или соляной купол. Компании уже тестируют такие системы, и первые результаты показывают, что они могут обнаруживать объекты на глубине до нескольких километров с точностью до десятков метров.
Как сказал один из физиков, «квантовые компьютеры — это будущее через 20 лет, а квантовые сенсоры — это полезный инструмент уже сегодня». По мере того как мы учимся обуздывать хрупкость квантовых состояний и делать устройства дешевле, эти невидимые стражи будут проникать во все сферы нашей жизни — от смартфонов, которые могут «видеть» сквозь стены, до подземных исследовательских миссий на Марсе. И в отличие от громоздких квантовых процессоров, для этого не нужно строить здание размером со склад — достаточно алмаза размером с ноготь или облачка атомов, охлажденных лазером.
Ваш комментарий