المستشعر الكمومي

المستشعر الكمومي يُعرِّف بخصائص ميكانيكا الكم، مثل التشابك الكمومي، والتداخل الكمومي، وضغط الحالة الكمومية، والتي حسنت من الدقة وتتفوق على الحدود الحالية في تكنولوجيا الاستشعار. يتعامل مجال الاستشعار الكمومي مع تصميم وهندسة المصادر الكمومية مثل الحالات المتشابكة والقياسات الكمومية القادرة على التغلب على أداء أي إستراتيجية كلاسيكية في عدد من التطبيقات التكنولوجية. يمكن القيام بذلك باستخدام أنظمة فوتونية أو أنظمة المواد الصلبة.

 الخصائص 
في علم الفوتونيات وبصريات الكم، يستفيد الاستشعار الكمومي الفوتوني من التشابك، والفوتونات المفردة، والحالات المضغوطة لإجراء قياسات دقيقة للغاية. يستخدم الاستشعار البصري أنظمة كمومية متغيرة باستمرار مثل درجات الحرية المختلفة للمجال الكهرومغناطيسي، وأنماط الاهتزاز في المواد الصلبة، وتكاثف بوز-أينشتاين. يمكن فحص هذه الأنظمة الكمومية لتوصيف تحول غير معروف بين حالتي كميتين. توجد عدة طرق لتحسين الإضاءة الكمومية لأهداف المستشعرات الضوئية، والتي تم استخدامها لتحسين كشف الإشارات الضعيفة باستخدام الارتباط الكمومي.

غالبًا ما تُبنى أجهزة الاستشعار الكمومية على أنظمة متغيرة باستمرار، أي الأنظمة الكمومية التي تتميز بدرجات حرية مستمرة مثل متجهات الموضع والزخم. يعتمد آلية العمل الأساسية عادةً على الحالات البصرية للضوء، وغالبًا ما تتضمن خصائص ميكانيكية كمومية مثل الضغط أو التشابك ثنائي الوضع. تكون هذه الحالات حساسة للتحولات الفيزيائية التي يتم اكتشافها بواسطة قياسات تداخلية.

يمكن أيضًا استخدام الاستشعار الكمومي في مجالات غير ضوئية مثل كيوبتات السبين، والأيونات المحتجزة، وكيوبتات التدفق، والجسيمات النانوية. يمكن مقارنة هذه الأنظمة بالخصائص الفيزيائية التي تستجيب لها، على سبيل المثال، تستجيب الأيونات المحتجزة للمجالات الكهربائية بينما ستستجيب أنظمة السبين للمجالات المغناطيسية. تُعد الأيونات المحتجزة مفيدة في مستوياتها الحركية المُكمَّمة المقترنة بشدة بالمجال الكهربائي. وقد تم اقتراحها لدراسة ضوضاء المجال الكهربائي فوق الأسطح، ومؤخرًا، أجهزة استشعار الدوران.

في فيزياء المواد الصلبة، المستشعر الكمومي هو جهاز كمومي يستجيب لمحفز. يشير هذا عادةً إلى مستشعر له مستويات طاقة مُكمَّمة، ويستخدم التماسك الكمومي أو التشابك لتحسين القياسات بما يتجاوز ما يمكن تحقيقه بأجهزة الاستشعار الكلاسيكية. هناك أربعة معايير لأجهزة الاستشعار الكمومية في المواد الصلبة:

يجب أن يمتلك النظام مستويات طاقة منفصلة وقابلة للحل.
يمكن تهيئة المستشعر إلى حالة معروفة جيدًا ويمكن قراءة حالته.
يمكن معالجة المستشعر بشكل متماسك.
يتفاعل المستشعر مع كمية فيزيائية وله استجابة ما لهذه الكمية.
 البحث والتطبيقات 
تتمتع أجهزة الاستشعار الكمومية بتطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات بما في ذلك المجهرية، وأنظمة تحديد المواقع، وتكنولوجيا الاتصالات، وأجهزة استشعار المجالات الكهربائية والمغناطيسية، بالإضافة إلى مجالات البحث الجيوفيزيائية مثل التنقيب عن المعادن وعلم الزلازل. تستخدم العديد من أجهزة القياس الخصائص الكمومية لاستقصاء قياسات مثل الساعات الذرية، وأجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل، وطيف الرنين المغناطيسي النووي. مع التطورات التكنولوجية الجديدة، يمكن استخدام الأنظمة الكمومية الفردية كأجهزة قياس، مستفيدة من التشابك، والتراكب، والتداخل والضغط لتعزيز الحساسية والتغلب على أداء الإستراتيجيات الكلاسيكية.

مثال جيد على مستشعر كمومي مبكر هو الصمام الثنائي الضوئي الانهياري . تم استخدام الصمامات الثنائية الضوئية الانهيارية لاكتشاف الفوتونات المتشابكة. مع التبريد الإضافي وتحسينات المستشعر، يمكن استخدامها في المجالات التي تُستخدم فيها الأنابيب المضخمة ضوئيًا مثل التصوير الطبي. يمكن استخدام الصمامات الثنائية الضوئية الانهيارية، في شكل مصفوفات ثنائية وثلاثية الأبعاد، كبديل مباشر لأجهزة الاستشعار التقليدية القائمة على أشباه الموصلات السيليكونية. أطلقت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) برنامج أبحاث في أجهزة الاستشعار الكمومية البصرية يسعى لاستغلال الأفكار من القيس الكمومي والتصوير الكمومي، مثل الطباعة الكمومية نون ، لتحقيق هذه الأهداف باستخدام أنظمة الاستشعار البصرية مثل الليدار.إعلان الوكالة الواسع (BAA) 07-22 أجهزة الاستشعار الكمومية  تُصنِّف الولايات المتحدة الاستشعار الكمومي على أنه أكثر التقنيات الكمومية نضجًا للاستخدام العسكري، حيث يمكنه نظريًا استبدال نظام التموضع العالمي .

المستشعرات الكمومية الضوئية والمجهرية وأجهزة كشف الموجات الثقالية
بالنسبة للأنظمة الضوئية، تبحث المجالات الحالية في بروتوكولات التغذية الراجعة والتكيف. هذا مجال بحث نشط في التمييز والتقدير للفقد البوزوني.

يسمح حقن الضوء المضغوط في أجهزة التداخل بحساسية أعلى للإشارات الضعيفة التي لا يمكن اكتشافها بالطرق الكلاسيكية. يتم تحقيق تطبيق عملي للاستشعار الكمومي في استشعار الموجات الثقالية. تستخدم أجهزة كشف الموجات الثقالية، مثل ليجو ، الضوء المضغوط لقياس الإشارات التي تقل عن حد الكم القياسي. كما تم استخدام الضوء المضغوط لاكتشاف إشارات أقل من حد الكم القياسي في أجهزة استشعار البلازمون السطحي ومجهر القوة الذرية.

استخدامات إزالة ضوضاء الإسقاط
للاستشعار الكمومي أيضًا القدرة على التغلب على حدود الدقة، حيث يمكن التغلب على مشاكل التمييز المتلاشي الحالية بين ترددين قريبين من خلال جعل ضوضاء الإسقاط تتلاشى. إن تقليل ضوضاء الإسقاط له تطبيقات مباشرة في بروتوكولات الاتصال والرنين المغناطيسي النووي النانوي.

استخدامات أخرى للتشابك
يمكن استخدام التشابك لتحسين الساعات الذرية الحالية أو إنشاء مقاييس مغناطيسية أكثر حساسية.

الرادارات الكمومية
الرادار الكمومي هو أيضًا مجال بحث نشط. يمكن للرادارات الكلاسيكية الحالية استجواب العديد من الخانات المستهدفة بينما تقتصر الرادارات الكمومية على استقطاب واحد أو نطاق واحد. تمكّن نموذج أولي للرادار الكمومي أو المضيء الكمومي باستخدام موجات ميكروية متشابكة كموميًا من اكتشاف الأجسام ذات الانعكاسية المنخفضة في درجة حرارة الغرفة – مما قد يكون مفيدًا لأنظمة الرادار المحسنة، والماسحات الضوئية الأمنية، وأنظمة التصوير الطبي.

التصوير العصبي
في التصوير العصبي، يستخدم أول ماسح ضوئي كمومي للدماغ التصوير المغناطيسي ويمكن أن يصبح نهجًا جديدًا للمسح الضوئي للدماغ بالكامل.

رسم الخرائط الجاذبية للهياكل تحت السطحية
أجهزة قياس تدرج الجاذبية الكمومية التي يمكن استخدامها لرسم الخرائط الجاذبية والتحقيق في الهياكل تحت السطحية قيد التطوير أيضًا.

 المراجع 

تصنيف:ميكانيكا الكم
تصنيف:هندسة كهروميكانيكية