Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Квантовые сенсоры

Сенсоры окружают нас повсюду:они есть в бытовой технике, медицинских приборах, лабораторных устройствах и космических аппаратах. Как использование квантовых эффектов позволяет создавать все более точные и миниатюрные датчики и где находит применение эта технология, ПостНауке рассказал физик Алексей Акимов.Это материал изгида Квантовыетехнологии. Партнер гида Академия Росатома.Сенсоры: квантовые и классическиеДатчики (сенсоры) это устройства для измерения каких-либо параметров изучаемых систем. Они делают возможным преобразование физических величин в сигнал, удобный для измерения, регистрации и передачи.В общем смысле любой физический прибор можно назвать сенсором. Зачастую датчиком и сенсором считаются относительно компактные приборы, которые можно разместить в комнате, на человеке илимашине.Размеры сенсорных устройств варьируются от молекулярных систем до километровых установок, такихкак LIGO. Они могут непосредственно взаимодействовать с измеряемой системой, как это делает термометр или космический зонд, посылаемый на Марс или Солнце, либо пассивно получать данные так работает пирометр и детектор нейтрино. В то же времямассу небольшого предмета можно узнать путем сравнения с эталоном на весах, по объему вытесненной жидкости (в случае однородного тела с известной плотностью) или по изменению скорости после столкновения с другим телом. А массу далекой звезды мы узнаем, оценивая ее светимость и разделяющее нас расстояние, а также изучая, если повезет, ее влияние на звезду-компаньона. Массы же атомов и ядер определяются методами масс-спектроскопии.Граница между классическими и квантовыми датчиками довольно размыта. Так или иначе, в основе всех явлений лежит квантовый мир, а любые измеряемые параметры нужно переводить на привычный нам макроуровень. Но все жеобычно квантовые датчики это устройства, которые опираются на эффекты квантовой механики. Какие-то датчики используют те же квантовые эффекты, но в меньшей степени, какие-то в большей, какие-то эффекты принципиально классические, но имеют поправки за счет квантовой механики и так далее. Но сегодня мы говорим о квантовых датчиках как об устройствах, которые возникают в результате развития квантовых технологий. По мере развития фундаментальной науки возникает потребность проводить эксперименты, для чего требуется высокочувствительное оборудование. А в ходе экспериментов могут быть обнаружены новые интересные эффекты, что, в свою очередь, стимулирует дальнейшие теоретические изыскания.Шум и границы измеренияУ каждого прибора есть границы измерения, заданные пределом шкалы и максимальной чувствительностью. Когда же объект наблюдения находится на квантовом уровне, максимально допустимая точность получаемой информации упирается в принцип неопределенности. К тому жена таких масштабах сказывается проблема наблюдателя:сам факт воздействия сенсором на систему меняет ее состояние. С другой стороны, в мире частиц уже не существует аналоговых сигналов все величины чисто по определению начинают квантоваться, то есть ток или интенсивность света задаются потоком частиц, которые уже измеряются в штуках. Эти частицы подчиняются некой статистике, которой присущ дробовой шум (англ. shot noise), что неизбежно влечет за собой ошибки квантования.Дробовой шум задает принципиально непреодолимый барьер, но, помимо него, существует тепловой шум, разного рода электромагнитные помехи и многие другие паразитические процессы. В борьбе с ними помогает увеличение собранной статистики, экранирование и теплоотвод, измерение с учетом шумов различной природы, что позволяет оценить их вклад и частично исключить при формировании экспериментальных данных. Комбинируя измерение различных физических параметров, мы можемв некотором роде управлять ошибкой, сдвигая вклад шума в ту или иную сторону. А на последнем этапе происходит математическая постобработка, в процессе которой методы статистики помогают усреднять, сглаживать и экстраполировать данные.
Иногда проблема решается за счет размера. Тот же детектор гравитационных волн LIGO имеет протяженность в несколько километров, но и здесь есть свои пределы: дальнейшее увеличение будет создавать иные проблемы например, приливные силы, вызванные Луной, могут испортить результаты эксперимента. К тому же для стабильной работы в этой установке требуется глубокий вакуум, сверхнизкие температуры и работа со сжатым светом.1От прецизионных датчиков до змеиного нюхаГравиметрОдин из первых гравитационных датчиков предложил Галилей в своем мысленном эксперименте, которым он хотел доказать универсальность ускорения свободного падения для тел с различными массами. Так, если сбросить с башни два предмета разной массы, связанных веревкой, и предположить, что тяжелые предметы падают быстрее, то получится, что легкий предмет будет замедлять падение тяжелого. Нотак как связка этих двух объектов тяжелее, чем просто тяжелый предмет, то и падать она должна быстрее, что приводит к противоречию и выводу об ошибочности посылки о том, что ускорение падения зависит от массы.Таким образом, вооружившись доказанным выше принципом, достаточно измерять время падения предмета с некоторой известной высоты, чтобы получить примитивный гравиметр. В дальнейшем для измерения силы тяжести стали использовать датчик, измеряющий время падения шарика в вакуумной трубе, и довольно длительное время это была самая точная методика в своем классе.В настоящее время существует множество вариаций датчиков гравиметрии: маятниковые, баллистические, инерциальные, квантовые, криогенные (используют в основе ранее рассмотренную сверхпроводимость) икварцевые (между скрученными кварцевыми нитями вставлено тонкое кварцевое коромысло с платиновым грузом на конце).Гравитация самая слабая из фундаментальных сил. Эффект гравитации на Земле довольно ощутимый из-за тяжести планеты, но всеравнодля того, чтобы наблюдать хоть какие-то эффекты, связанные с гравитацией, нужно использовать прибор, в основе которого будет использоваться большая масса, что весьма неудобно и не согласуется с желанием создавать компактные датчики. С другой стороны, все состоит из атомов, обладающих массой, не очень большой, но и не очень маленькой. Иесли перевести группу атомов в состояние эйнштейновской конденсации, то они становятся единым целым, проявляя волновые свойства. Полученным квантовым объектом можно манипулировать с помощью интерферометра, разделяя его на два пучка, после чего под воздействием гравитации возможно возникновение различия фаз в плечах интерферометра.Большой прогресс был достигнут в том, что исследователи нашли способ сделать холодные атомы на чипах, что позволяет управлять поведением конденсата иотслеживать интерференционные эффекты. Встраивая такие чипы в соответствующую микросхему, исследователи получают в свое распоряжение высокочувствительный датчик, позволяющий измерять микрогравитацию с орбиты Земли. Такие устройства используются при гравиразведке (поиск месторождений полезных ископаемых), в археологии, почвоведении, гидрологии и картировании.МагнитометрПланета Земля является гигантским магнитом, определять неоднородные поля которого люди научились больше двух тысяч лет назад. Технология изготовления компаса с тех пор улучшилась, а попутно, особенно с развитием повсеместного использования электротехники, появились многочисленные устройства, измеряющие различные характеристики магнитных полей.Они находят применение в геологии, археологии, сейсмологии, навигации, военной разведке, дефектоскопии, биологии и медицине. Ив зависимости от области применения на магнитометры накладываются соответствующие требования, что и определяет их устройство и принцип работы.В основе многих квантовых магнитометрических датчиков лежит эффект Зеемана, который заключается в явлении расщепления спектральных линий атома под действием внешнего магнитного поля. Методика сравнительно проста: после воздействия на исследуемый образец светом измеряется спектр и оценивается эффект Зеемана. Но так как интенсивность излучения от одиночного атома мизерна, возникает необходимость увеличения количества этих самых атомов, чтобы получить приемлемую чувствительность датчика.По аналогии можно использовать расщепление спинов атомов, внедренных в матрицу алмаза или в другую кристаллическую решетку во внешнем магнитном поле. То есть теперь по спектру сигнала свечения можно определить состояние спина атома, его ориентацию и разность энергий между различными состояниями. А для измерения переменных магнитных полей уже нет необходимости отслеживать перемещения расщепляющихся линий достаточно постараться продлить время когерентности (время жизни) спина и узнать его состояние, например, с помощью фотонного эха. Такой подход позволяет повысить чувствительность измерения переменных магнитных полей на несколько порядков, а вкупе с правильным пониманием источников шумов возникает возможность повысить разрешение датчика и работать буквально с отдельными атомами.Примером такого квантового магнитометра является датчик магнитного поля на центрах окраски в алмазе. Алмаз, помимо твердости, имеет еще ряд полезных свойств, среди которых хорошая оптическая прозрачность и чистота в плане примесей изотопов. Центр окраски в алмазе это просто некий атом, заключенный в кристаллическую решетку, что придает кристаллу какой-то цвет, оттенок, откуда и появилось название. В качестве примесного центра зачастую используют азотные или кремниевые вакансии.
Центры окраски, заключенные в твердом теле, ведут себя как маленькие магнитики, что позволяет оценивать магнитное поле с высоким разрешением. С другой стороны, поверхность алмаза вполне пригодна для пассивации, то есть для покрытия определенными молекулами, в качестве которых могут выступать некоторые антитела или реакционные центры, способные прилипать к стенкам клеток или вирусов. Это позволяет наблюдать за изменением температуры или магнитных полей в организмах на мельчайших масштабах. Помимо этого, алмазные ячейки могут выступать средством доставки флуоресцентных маркеров внутрь клетки, а так как алмаз инертен,появляется возможность исследовать клетку, не нанося ей повреждения.Одним из самых чувствительных к магнитным полям приборов является так называемый СКВИД. Он представляет собой сверхпроводящий квантовый интерферометр петлю из сверхпроводника с парой небольших разрывов, заполненных изолятором. Так как электрон проявляет волновые свойства, то он может быть разделен на две волны, которые потом сводятся вместе. В отсутствие внешнего магнитного поля они совпадают, а в ином случае в контуре будет наводиться циркулирующий сверхпроводящий ток, из-за чего токи в ветвях будут различаться. В конечном итоге проявится зависящий от внешнего поля и имеющий ступенчатый характер ток, что позволит зафиксировать вплоть до отдельных квантов потока.ТермометрВсем известны классические устройства измерения температуры, такие как ртутный термометр или пирометр. Но для ряда случаев применимы только квантовые датчики. Например, с недавних пор возникла необходимость локально мерить температуру на электронном чипе. По мере миниатюризации современной электроники все острее встает вопрос об измерении температуры с низким пространственным разрешением. Также эта проблема характерна для биологии, где высокочувствительный сенсор должен бытьнеинвазивным и нетоксичным.И здесь опять помогают датчики на основе алмаза с азот-вакансией. Измеряя спин в центре окраски, исследователи получают возможность узнать окружающую температуру с высокой точностью. Одним из существенных недостатков этого датчика является необходимость использования при работе с ним микроволнового излучения, что зачастую губительно для клеток.Несмотря на это, успешные эксперименты с таким датчиком на живой клетке все-таки были проведены. Так, было показано, как работает обоняние у некоторых змей. Оказывается, у них есть сверхчувствительные органы, дарующие шестое чувство способность видеть температуру.Квантовые часыНа сегодняшний день существует два вида квантовых часов, которые конкурируют друг с другом.Часы квантовой логики работают на одном ионе: один ион в ловушке, к которому применяются те последовательности, которые используют для управления квантовыми битами и для считывания и записывания информации. Только в данном случае вместо информации считывают время. Вы записываете в бит какое-то состояние, позволяете ему эволюционировать, считываете состояние и вычисляете по нему время. Три года назад ионы алюминия позволили измерять секунду за несколькомиллиардовлет. На сегодняшний день точность таких часов дошла до 10-18, то есть можно измерить время с точностью 10-18 от измеряемой величины.Часы квантовой логики называются так потому, что логика квантовых вычислений просто была использована напрямую для того, чтобы измерять время. Но параллельно развивалось направление квантовых симуляторов, попытки моделирования квантово-механических явлений с помощью ультрахолодных атомов, и для этого атомы начали размещать в оптических решетках, охлаждать до низких температур. И возник вопрос: а почему, собственно, нужно использовать один ион? Почему нельзя опрашивать больше атомов? Почему нельзя разместить атомы в решетке и ещеувеличить точность за счет того, чтобы их тоже опрашивать правильным образом?На деле так не получилось результат был тот же, что и на одном ионе, но возникли другие проблемы. Атомы начали разговаривать друг с другом, с решеткой, пришлось существенно поработать над тем, чтобы заставить их работать как независимые часики, и это наложило некоторые ограничения на то, сколько можно этих атомов разместить в решетку, насколько эффективно их можно было опрашивать.Тем не менеевторой вариант, основанный на ансамбле атомов в оптических решетках, тоже показывает 10-18 относительную нестабильность часов. И на сегодняшний день существует несколько атомов, на которых созданы такие часы.Сейчас стандарты, основанные на ансамблях атомов в оптической решетке, начинают потихонечку выигрывать гонку. Оказалось, что работать с ансамблем атомов немного проще технологически с точки зрения реализации многих стандартов. И если часов квантовой логики буквально несколько в Национальном институте стандартов и технологий США, то часы на ансамбле атомов в оптических решетках воспроизведены в нескольких лабораториях в мире, они все показывают очень хорошие результаты, поэтому можно сказать, что они оказались проще с точки зрения масштабируемости.Если классические хронометры обладают общим недостатком они нуждаются в регулярной перекалибровке, то атомные часы лишены такой проблемы, ведь внутреннее состояние атома это де-факто неизменный стандарт частоты, и такого рода физическая величина инвариантна относительно того, где ее измеряют в Москве или Веллингтоне. Такие запредельные точности измерения времени полезны для систем глобального позиционирования, стабилизации спутников или синхронизации точных лабораторных установок.
Фундаментальные стандарты определения секунды можно связать с другими оптическими и неоптическими частотами, используя инструмент, который называется оптическая частотная гребенка. Частотный спектр строго периодического сигнала представляется набором эквидистантных линий, за внешний вид которого устройство и получило свое название.Помимо связи стандартов частот, гребенки находят применение в спектроскопии. До недавних пор гребенки представляли собой наборы чипов с микрорезонаторами, собранными в весьма габаритное и дорогое устройство. Но учеными из России и Швейцарии в 2018 году была разработана более компактная и дешевая технология, которую можно использовать с фотонными системами нового поколения.В лаборатории и в бытуКак показала история, большее понимание квантовой механики позволяет создавать все более точное оборудование, что, в свою очередь, ведет к обнаружению все новых эффектов и явлений. Это стимулирует дальнейшие теоретические и экспериментальные изыскания и требует еще более чувствительных сенсоров. Порой кажется, что постоянная борьба с внешними условиями и непрекращающееся повышение чувствительности детекторов происходит только ради самого процесса, но, безусловно, это не так. Просто принципы работы таких устройств порой настолько сложны, что они начинают восприниматься как нечто само собой разумеющееся. Хотя в большинстве случаев они банально спрятаны от взора обычного человека.Однако, если задуматься, квантовые технологии уже прочно вошли в нашу жизнь. Потребительская электроника в постоянной гонке за скоростью, емкостью, экономичностью и миниатюризацией уже достигла того рубежа, где для каждого следующего шага нужно обуздать очередной квантовый эффект. Естественные науки,такие какастрономия, археология, география, уже ни за что не откажутся от предоставленного физиками арсенала датчиков. Нейробиология как таковая стала возможна благодаря данным, получаемым с помощью высокоточного оборудования и прорывных методик, таких как оптогенетика, ПЭТ и МРТ. Современную медицинскую диагностику трудно представить без прецизионных средств магнитометрии и методов выявления онкологий и борьбы с ними.Таким образом, квантовая сенсорика стала отдельной и быстрорастущей отраслью исследований в области квантовой науки и техники. В целом данное направление обладает потенциалом фундаментального преобразования наших измерительных возможностей, обеспечивая более высокую чувствительность и точность, порождая новые типы измерений и охватывая атомные и макроскопические масштабы.
Что почитатьТак как квантовые технологии это стремительно развивающаяся область, то книги по этой теме быстро устаревают. Наиболее полезным вариантом будет находить обзорные статьи.C. L. Degen,F. Reinhard,P. Cappellaro,Quantum sensing, 2016Stefano Pirandola,Bhaskar Roy Bardhan,Tobias Gehring,Christian Weedbrook,Seth Lloyd,Advances in Photonic Quantum Sensing, 2018А. К. Федоров,Квантовые технологии: от научных открытий кновым приложениям, 2019
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 23.12.2020 10:15:28
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru