Κβαντικός αισθητήρας

Ένας κβαντικός αισθητήρας χρησιμοποιεί ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής, όπως η κβαντική διεμπλοκή, η κβαντική παρεμβολή και η συμπίεση κβαντικών καταστάσεων, οι οποίες έχουν βελτιστοποιήσει την ακρίβεια και ξεπερνούν τα σημερινά όρια της τεχνολογίας αισθητήρων. Ο τομέας της κβαντικής ανίχνευσης ασχολείται με τον σχεδιασμό και τη μηχανική κβαντικών πηγών (π.χ., περιπλεγμένων) και κβαντικών μετρήσεων που είναι σε θέση να ξεπεράσουν την απόδοση οποιασδήποτε κλασικής στρατηγικής σε μια σειρά τεχνολογικών εφαρμογών. Αυτό μπορεί να γίνει με φωτονικά συστήματα ή συστήματα στερεάς κατάστασης.

Χαρακτηριστικά 

Στη φωτονική και την κβαντική οπτική, η φωτονική κβαντική ανίχνευση αξιοποιεί την περιπλοκή, τα μεμονωμένα φωτόνια και τις συμπιεσμένες καταστάσεις για την εκτέλεση εξαιρετικά ακριβών μετρήσεων. Η οπτική ανίχνευση χρησιμοποιεί συνεχώς μεταβαλλόμενα κβαντικά συστήματα, όπως οι διαφορετικοί βαθμοί ελευθερίας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, οι τρόποι δόνησης των στερεών και τα συμπυκνώματα Bose-Einstein. Αυτά τα κβαντικά συστήματα μπορούν να εξεταστούν για να χαρακτηριστεί ένας άγνωστος μετασχηματισμός μεταξύ δύο κβαντικών καταστάσεων. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τη βελτίωση του κβαντικού φωτισμού των στόχων από φωτονικούς αισθητήρες, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ανίχνευσης ασθενών σημάτων με τη χρήση κβαντικής συσχέτισης.

Οι κβαντικοί αισθητήρες συχνά βασίζονται σε συνεχώς μεταβαλλόμενα συστήματα, δηλαδή σε κβαντικά συστήματα που χαρακτηρίζονται από συνεχείς βαθμούς ελευθερίας, όπως τετραγωνικά της θέσης και της ορμής. Ο βασικός μηχανισμός λειτουργίας βασίζεται συνήθως σε οπτικές καταστάσεις του φωτός, που συχνά περιλαμβάνουν κβαντομηχανικές ιδιότητες, όπως η συμπίεση ή η διεμπλοκή δύο τρόπων. Οι καταστάσεις αυτές είναι ευαίσθητες σε φυσικούς μετασχηματισμούς που ανιχνεύονται με συμβολομετρικές μετρήσεις.

Η κβαντική ανίχνευση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε μη φωτονικούς τομείς, όπως τα qubits σπιν, τα παγιδευμένα ιόντα, τα qubits ροής και τα νανοσωματίδια. Αυτά τα συστήματα μπορούν να συγκριθούν με βάση τα φυσικά χαρακτηριστικά στα οποία ανταποκρίνονται, για παράδειγμα, τα παγιδευμένα ιόντα ανταποκρίνονται σε ηλεκτρικά πεδία, ενώ τα συστήματα σπιν θα ανταποκριθούν σε μαγνητικά πεδία. Τα παγιδευμένα ιόντα είναι χρήσιμα λόγω των κβαντισμένων επιπέδων κίνησής τους, τα οποία είναι ισχυρά συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό πεδίο. Έχουν προταθεί για τη μελέτη του θορύβου του ηλεκτρικού πεδίου πάνω από επιφάνειες, και πιο πρόσφατα, ως αισθητήρες περιστροφής.

Στη φυσική στερεάς κατάστασης, ένας κβαντικός αισθητήρας είναι μια κβαντική συσκευή που ανταποκρίνεται σε ένα ερέθισμα. Συνήθως αναφέρεται σε έναν αισθητήρα που, ο οποίος έχει κβαντισμένα ενεργειακά επίπεδα, χρησιμοποιεί κβαντική συνοχή για τη μέτρηση ενός φυσικού μεγέθους ή χρησιμοποιεί την περιπλοκή για να βελτιώσει τις μετρήσεις πέρα από ό,τι μπορεί να γίνει με τους κλασικούς αισθητήρες. Υπάρχουν 4 κριτήρια για τους κβαντικούς αισθητήρες στερεάς κατάστασης:

Το σύστημα πρέπει να έχει διακριτά, επιλύσιμα ενεργειακά επίπεδα.

Μπορείτε να αρχικοποιήσετε τον αισθητήρα και να εκτελέσετε ανάγνωση (ενεργοποιήστε και λάβετε απάντηση).

Μπορείτε να χειριστείτε συνεκτικά τον αισθητήρα.

Ο αισθητήρας αλληλεπιδρά με ένα φυσικό μέγεθος και έχει κάποια απόκριση σε αυτό το μέγεθος.

Έρευνα και εφαρμογές 

Οι κβαντικοί αισθητήρες έχουν εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα τομέων, όπως η μικροσκοπία, τα συστήματα εντοπισμού θέσης, η τεχνολογία επικοινωνιών, οι αισθητήρες ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, καθώς και γεωφυσικοί τομείς έρευνας όπως η αναζήτηση ορυκτών και η σεισμολογία. Πολλές συσκευές μέτρησης χρησιμοποιούν κβαντικές ιδιότητες προκειμένου να ανιχνεύσουν μετρήσεις, όπως ατομικά ρολόγια, υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής παρεμβολής και φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Με τις νέες τεχνολογικές εξελίξεις, μεμονωμένα κβαντικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές μέτρησης, αξιοποιώντας την περιπλοκή, την υπέρθεση, την παρεμβολή και τη συμπίεση για να αυξήσουν την ευαισθησία και να ξεπεράσουν τις επιδόσεις των κλασικών στρατηγικών.

Ένα καλό παράδειγμα ενός πρώιμου κβαντικού αισθητήρα είναι η φωτοδίοδος χιονοστιβάδας (APD). Οι APD έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση διεμπλεκόμενων φωτονίων. Με πρόσθετη ψύξη και βελτιώσεις στον αισθητήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου φωτοπολλαπλασιαστές (PMT) σε τομείς όπως η ιατρική απεικόνιση. Οι APD, με τη μορφή δισδιάστατων ή και τρισδιάστατων συστοιχιών, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως άμεση αντικατάσταση των συμβατικών αισθητήρων που βασίζονται σε διόδους πυριτίου.

Η Υπηρεσία Προηγμένων Αμυντικών Ερευνητικών Προγραμμάτων (DARPA) ξεκίνησε ένα ερευνητικό πρόγραμμα στους οπτικούς κβαντικούς αισθητήρες που επιδιώκει να αξιοποιήσει ιδέες από την κβαντική μετρολογία και την κβαντική απεικόνιση, όπως η κβαντική λιθογραφία και η κατάσταση NOON, προκειμένου να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι με οπτικά συστήματα αισθητήρων όπως το lidar. Οι Ηνωμένες Πολιτείες κρίνουν ότι η κβαντική ανίχνευση είναι η πιο ώριμη από τις κβαντικές τεχνολογίες για στρατιωτική χρήση, θεωρητικά αντικαθιστώντας το GPS σε περιοχές χωρίς κάλυψη ή ενδεχομένως δρώντας με δυνατότητες ISR ή ανιχνεύοντας υποβρύχιες ή υπόγειες κατασκευές ή οχήματα, καθώς και πυρηνικό υλικό.

Φωτονικοί κβαντικοί αισθητήρες, μικροσκοπία και ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων 

Για τα φωτονικά συστήματα, οι τρέχουσες περιοχές έρευνας εξετάζουν την ανατροφοδότηση και τα προσαρμοστικά πρωτόκολλα. Πρόκειται για ένα ενεργό πεδίο έρευνας στη διάκριση και την εκτίμηση των μποζονικών απωλειών.

Η έγχυση συμπιεσμένου φωτός σε συμβολόμετρα επιτρέπει μεγαλύτερη ευαισθησία σε ασθενή σήματα που δεν θα μπορούσαν να ανιχνευθούν κλασικά. Μια πρακτική εφαρμογή της κβαντικής ανίχνευσης πραγματοποιείται στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, όπως ο LIGO, χρησιμοποιούν συμπιεσμένο φως για τη μέτρηση σημάτων κάτω από το τυπικό κβαντικό όριο. Το συμπιεσμένο φως έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση σημάτων κάτω από το τυπικό κβαντικό όριο σε πλασμονικούς αισθητήρες και στη μικροσκοπία ατομικής δύναμης.

Χρήσεις της αφαίρεσης θορύβου προβολής 

Η κβαντική ανίχνευση έχει επίσης τη δυνατότητα να ξεπεράσει τα όρια ανάλυσης, όπου τα τρέχοντα ζητήματα της εξαφάνισης της διακριτικής ικανότητας μεταξύ δύο κοντινών συχνοτήτων μπορούν να ξεπεραστούν με την εξαφάνιση του θορύβου προβολής. Η μείωση του θορύβου προβολής έχει άμεσες εφαρμογές στα πρωτόκολλα επικοινωνίας και στον νανοπυρηνικό μαγνητικό συντονισμό.

Άλλες χρήσεις της διεμπλοκής 

Η διεμπλοκή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των υφιστάμενων ατομικών ρολογιών ή για τη δημιουργία πιο ευαίσθητων μαγνητόμετρων. A proof-of-concept quantum radar or quantum illuminator using quantum entangled microwaves was able to detect low reflectivity objects at room-temperature – such may be useful for improved radar systems, security scanners and medical imaging systems.

Κβαντικά ραντάρ 

Τα κβαντικά ραντάρ είναι επίσης ένας ενεργός τομέας έρευνας. Τα τρέχοντα κλασικά ραντάρ μπορούν να εξετάσουν πολλά πεδία στόχων, ενώ τα κβαντικά ραντάρ περιορίζονται σε μία μόνο πόλωση ή σε μία μόνο περιοχή. Ένα proof-of-concept κβαντικό ραντάρ ή κβαντικός φωτιστής που χρησιμοποιεί κβαντικά διεμπλεγμένα μικροκύματα ήταν σε θέση να ανιχνεύσει αντικείμενα χαμηλής ανακλαστικότητας σε θερμοκρασία δωματίου - κάτι τέτοιο μπορεί να είναι χρήσιμο για βελτιωμένα συστήματα ραντάρ, σαρωτές ασφαλείας και συστήματα ιατρικής απεικόνισης.

Νευροαπεικόνιση 

Στη νευροαπεικόνιση, ο πρώτος κβαντικός σαρωτής εγκεφάλου χρησιμοποιεί μαγνητική απεικόνιση και θα μπορούσε να αποτελέσει μια νέα προσέγγιση σάρωσης ολόκληρου του εγκεφάλου.

Χαρτογραφία της βαρύτητας των υποθαλάσσιων περιοχών 

Υπό ανάπτυξη βρίσκονται επίσης κβαντικά βαρυομετρικά γκραντιόμετρα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση και τη διερεύνηση των υποθαλάσσιων περιοχών.

Αναφορές

Θεωρητική πληροφορική
Νανοτεχνολογία
Ηλεκτρονική
Αναδυόμενες τεχνολογίες