Ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές συγκεντρώνουν πάνω τους τα φώτα της δημοσιότητας παρόλο που δεν είναι ακόμη έτοιμοι για ευρεία χρήση, οι κβαντικοί αισθητήρες παράγουν ήδη ουσιαστικό έργο.
Οι συσκευές αυτές μετρούν πεδία, δυνάμεις και κινήσεις τόσο ανεπαίσθητες που ο παραδοσιακός θόρυβος του περιβάλλοντος θα τις είχε εξαφανίσει. Ορισμένοι από αυτούς τους αισθητήρες βρίσκονται σε καθημερινή χρήση, ενώ άλλοι μετακρίνονται από τα εργαστήρια σε δοκιμαστικές πτήσεις, νοσοκομεία και όργανα πεδίου.
Για παράδειγμα, ο ανθρώπινος εγκέφαλος παράγει μαγνητικά σήματα της τάξης των femtotesla έως picotesla -δηλαδή δισεκατομμύρια φορές ασθενέστερα από έναν μαγνήτη ψυγείου. Για τον λόγο αυτό, οι εγκεφαλικοί σαρωτές χρειάζονται εξαιρετικά ευαίσθητους ανιχνευτές. Σε ορισμένα νοσοκομεία, αυτοί οι ανιχνευτές χρησιμοποιούν ήδη κβαντική τεχνολογία για τη χαρτογράφηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας πριν από χειρουργικές επεμβάσεις επιληψίας, χωρίς καν να αγγίζουν τον εγκέφαλο.
Τι είναι ένας κβαντικός αισθητήρας;
Ένας κοινός αισθητήρας μετατρέπει μια φυσική επίδραση -όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η επιτάχυνση ή το μαγνητικό πεδίο- σε έναν αριθμό, χρησιμοποιώντας κατασκευασμένα εξαρτήματα όπως ελατήρια, πηνία ή τσιπ. Αυτά τα εξαρτήματα όμως μπορούν να παρουσιάσουν αποκλίσεις στην ακρίβειά τους καθώς παλιώνουν ή θερμαίνονται.
Αντίθετα, ένας κβαντικός αισθητήρας χρησιμοποιεί ένα μικροσκοπικό κβαντικό σύστημα ως ενεργό συστατικό για να αλληλεπιδράσει με τον κόσμο. Οι πιο συχνές επιλογές κβαντικών συστημάτων είναι τα άτομα, τα σπιν των ηλεκτρονίων και τα υπεραγώγιμα κυκλώματα.
Τα περισσότερα κβαντικά συστήματα ακολουθούν μια διαδικασία τριών βημάτων: προετοιμάζουν μια γνωστή κβαντική κατάσταση, αφήνουν το περιβάλλον να την επηρεάσει ελαφρώς και στη συνέχεια διαβάζουν τη μεταβολή. Πολλές συσκευές δημιουργούν ένα μοτίβο συμβολής κυμάτων μεταξύ δύο κβαντικών συστημάτων, παρόμοιο με τον τρόπο που δύο κυματισμοί ενώνονται σε μια λίμνη, και μετρούν πώς αλλάζει αυτό το μοτίβο.
Οι τρεις τύποι κβαντικών συστημάτων
- Άτομα: Ένα άτομο έχει σταθερά επίπεδα ενέργειας. Το φως ή τα μικροκύματα μπορούν να το μετακινήσουν μεταξύ αυτών των επιπέδων μόνο σε ακριβείς συχνότητες. Ένα μαγνητικό πεδίο, η κίνηση ή η βαρύτητα μπορούν να μετατοπίσουν αυτές τις συχνότητες, και ο αισθητήρας μετατρέπει αυτή τη μετατόπιση σε μέτρηση.
- Σπιν ηλεκτρονίων: Το σπιν είναι μια εγγενής ιδιότητα των ηλεκτρονίων που τα κάνει να συμπεριφέρονται σαν μια απειροελάχιστη διασταύρωση σβούρας και μαγνήτη. Ο αισθητήρας μετρά πόσο «κλυδωνίζεται» αυτή η σβούρα υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου.
- Υπεραγώγιμα κυκλώματα: Πρόκειται για ηλεκτρικά κυκλώματα ψυγμένα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ώστε το ρεύμα να ρέει χωρίς αντίσταση. Μια υπεραγώγιμη συσκευή κβαντικής συμβολής (SQUID) αποτελεί έναν τέτοιο βρόχο, ο οποίος είναι ευαίσθητος σε ελάχιστες αλλαγές μαγνητικών πεδίων.
Τα πλεονεκτήματα της κβαντικής τεχνολογίας
Οι κβαντικοί αισθητήρες βασίζονται ακόμη στην κλασική μηχανική, αλλά προσφέρουν τρία σημαντικά πλεονεκτήματα:
- Φυσική ομοιομορφία: Τα άτομα του ίδιου είδους είναι πανομοιότυπα, οπότε το στοιχείο ανίχνευσης παραμένει σταθερό από τη μία συσκευή στην άλλη και δεν παρουσιάζει τις αποκλίσεις των βιομηχανικών εξαρτημάτων.
- Απόκριση σε ελάχιστες επιδράσεις: Ένα ανεπαίσθητο πεδίο μπορεί να μεταβάλει μια κβαντική κατάσταση με μετρήσιμο τρόπο, αρκεί η συσκευή να είναι επαρκώς προστατευμένη από εξωτερικές παρεμβολές.
- Αναδιαμόρφωση του θορύβου: Τεχνικές όπως το «συμπιεσμένο» φως (squeezed light) δεν εξαφανίζουν τον θόρυβο, αλλά μετατοπίζουν την αβεβαιότητα μακριά από το τμήμα της μέτρησης που έχει τη μεγαλύτερη σημασία.
Από τις μαγνητικές τομογραφίες μέχρι τον έλεγχο μικροτσίπ
Μια ώριμη εφαρμογή των κβαντικών αισθητήρων είναι η μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG), η οποία μετρά τα μαγνητικά πεδία του εγκεφάλου για τη χαρτογράφηση κρίσεων πριν από χειρουργικές επεμβάσεις, χρησιμοποιώντας συνήθως SQUIDs μέσα σε θωρακισμένα δωμάτια.
Ωστόσο, νεότερα μαγνητόμετρα δεν απαιτούν την ακραία ψύξη των SQUIDs. Το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) έχει αναπτύξει ατομικά μαγνητόμετρα σε μέγεθος μικροτσίπ που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, επιτρέποντας τη μέτρηση αδύναμων πεδίων από τον εγκέφαλο και την καρδιά (ακόμη και εμβρύων) χωρίς κρυογονικό εξοπλισμό.
Μια άλλη κατηγορία αισθητήρων χρησιμοποιεί τα κέντρα αζώτου-κενού (nitrogen-vacancy centers), τα οποία βασίζονται σε μια συγκεκριμένη «ατέλεια» στο διαμάντι: ένα άτομο αζώτου δίπλα σε ένα κενό από ένα λείπον άτομο άνθρακα. Αυτό το ελάττωμα λειτουργεί σαν ένα κβαντικό σπιν που επηρεάζεται από μαγνητικά πεδία. Αυτοί οι αισθητήρες προσφέρουν εξαιρετική χωρική ανάλυση σε κλίμακα δισεκατομμυριοστών του μέτρου, βοηθώντας στη μελέτη υλικών και στη χαρτογράφηση ρευμάτων μέσα σε ηλεκτρονικές συσκευές και τσιπ υπολογιστών.
Πλοήγηση χωρίς δορυφόρους και χαρτογράφηση της βαρύτητας
Όταν τα σήματα δορυφορικής πλοήγησης (GPS) είναι μπλοκαρισμένα ή παραποιημένα, η ναυτιλία βασίζεται σε επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπια, τα οποία όμως συσσωρεύουν σφάλματα με την πάροδο του χρόνου. Οι αισθητήρες ψυχρών ατόμων προσφέρουν μια εναλλακτική λύση: ένα σύννεφο ατόμων που έχουν ψυχθεί με λέιζερ λειτουργεί ως μάζα δοκιμής, και τα κύματα ύλης τους συμβάλλουν με τρόπο που εξαρτάται από την επιτάχυνση και την περιστροφή. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) και η κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου πραγματοποιούν ήδη δοκιμαστικές πτήσεις με τέτοια συστήματα για τη δημιουργία δικλείδων ασφαλείας στην πλοήγηση.
Παράλληλα, η μέτρηση μικροσκοπικών αλλαγών στη βαρύτητα από τόπο σε τόπο επιτρέπει την αποκάλυψη κρυμμένων δομών κάτω από το έδαφος. Το Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA αναπτύσσει έναν διαστημικό κβαντικό αισθητήρα (Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder) για τη χαρτογράφηση υπόγειων υδροφόρων οριζόντων και κοιτασμάτων ορυκτών. Το όργανο αυτό συγκρίνει την επιτάχυνση δύο κυμάτων από υπέρψυχρα άτομα ρουβιδίου κοντά στο απόλυτο μηδέν, εντοπίζοντας βαρυτικές ανωμαλίες.
Παρατήρηση του σύμπαντος με συμπιεσμένο φως
Ορισμένοι από τους πιο διάσημους αισθητήρες μετρούν απειροελάχιστες μεταβολές στην απόσταση, όπως τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων (LIGO). Το LIGO διασπά μια δέσμη λέιζερ σε δύο διαδρομές μήκους 4 χιλιομέτρων σε ορθή γωνία, οι οποίες ανακλώνται σε καθρέφτες. Όταν ένα βαρυτικό κύμα από ένα κοσμικό γεγονός περνά μέσα από τη συσκευή, ο χρόνος ταξιδιού των δύο δεσμών αλλάζει ελάχιστα. Για να ξεπεράσει τα όρια του κβαντικού θορύβου που περιορίζουν την ακρίβεια, το LIGO χρησιμοποιεί πλέον τη μέθοδο της «εξαρτώμενης από τη συχνότητα συμπίεσης» (frequency-dependent squeezing), γεγονός που του επιτρέπει να εντοπίζει περίπου 60% περισσότερες συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών από ό,τι στο παρελθόν.
Το μειονέκτημα και το επόμενο βήμα
Οι κβαντικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά ευαίσθητες. Οι κραδασμοί, τα αδέσποτα πεδία και οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μπορούν να καταστρέψουν ένα μοτίβο συμβολής ή να αλλοιώσουν μια κατάσταση σπιν. Για τον λόγο αυτό, οι πιο ευαίσθητες συσκευές εξακολουθούν να απαιτούν θαλάμους κενού, λέιζερ και ισχυρές θωρακίσεις.
Οι κβαντικοί αισθητήρες αποδεικνύουν ήδη την αξία τους όπου τα ελάχιστα σήματα έχουν σημασία: στα ρολόγια, στα νοσοκομεία και στα αστεροσκοπεία. Το επόμενο μεγάλο στοίχημα για τους επιστήμονες είναι να καταστήσουν αυτούς τους αισθητήρες μικρότερους, φθηνότερους και αρκετά ανθεκτικούς ώστε να λειτουργούν αποτελεσματικά έξω από τα εξειδικευμένα εργαστήρια.
