Senzorii cuantici folosesc atomi, electroni și lumină ca rigle ultra-stabile – detectând mișcare, magnetism și gravitație pentru navigație, medicină și știință

În timp ce calculatoarele cuantice atrag multă atenție deși nu sunt încă gata pentru utilizarea largă, senzorii cuantici își dovedesc deja utilitatea în aplicații practice. Aceste dispozitive măsoară câmpuri, forțe și mișcări atât de mici încât zgomotul obișnuit de fundal le poate ascunde complet.

Un exemplu revelator vine din neurologia clinică. Creierul uman produce semnale magnetice în intervalul femtotesla-picotesla – de miliarde de ori mai slabe decât un magnet de frigider și mult mai slabe decât zgomotul magnetic dintr-o cameră obișnuită. De aceea scanerele cerebrale care măsoară aceste semnale necesită detectoare ultrasensibile și blindaj magnetic puternic. În unele spitale, aceste detectoare folosesc tehnologia cuantică pentru a cartografia activitatea cerebrală înainte de operațiile pentru epilepsie, fără a atinge creierul.

Senzorii cuantici folosesc un sistem cuantic minuscul ca "ingredient activ" care interacționează cu lumea pentru a măsura o cantitate fizică. Cele mai comune alegeri sunt atomii, spinii electronilor și circuitele supraconductoare. Un atom are un set fix de nivele energetice, ca treptele unei scări. Lumina sau microundele îl pot muta între aceste nivele doar la frecvențe exacte. Un câmp magnetic, mișcarea sau gravitația pot deplasa aceste frecvențe și senzorul transformă această schimbare în măsurătoare.

Avantajul senzorilor cuantici constă în trei aspecte cheie: sunt uniform naturali deoarece atomii de același tip sunt identici, răspund la impulsuri minuscule care pot deplasa un stat cuantic în mod măsurabil, iar inginerii pot remodela zgomotul prin tehnici precum lumina "comprimată". Această tehnologie se află deja în uz clinic prin magnetoencefalografia (MEG), care măsoară câmpurile magnetice produse de activitatea cerebrală.

Aplicațiile se extind în navigația de rezervă când semnalele GPS sunt blocate sau falsificate, folosind interferometre cu atomi reci. NASA dezvoltă Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder pentru cartografierea schimbărilor subtile de gravitație legate de caracteristicile subterane precum acviferele și depozitele minerale. Observatoarele de unde gravitaționale precum LIGO folosesc deja "comprimarea dependentă de frecvență" pentru a reduce zgomotul cuantic și a detecta cu 60% mai multe fuziuni cosmice.

Provocarea principală rămâne fragilitatea stărilor cuantice. Vibrațiile, câmpurile parazite și fluctuațiile de temperatură pot șterge modelele de interferență. De aceea cele mai sensibile dispozitive încă folosesc camere de vid, lasere și blindaj. Următorul pas este să facă acești senzori mai mici, mai ieftini și suficient de rezistenți pentru a funcționa în afara laboratoarelor specializate, conform cercetărilor publicate în The Conversation.