Människans kunskap om världen och våra tekniska framsteg begränsas av vad vi kan mäta och hur noga. Genom att utnyttja kvantegenskaper hos enskilda partiklar kan vår mätförmåga bli långt mycket noggrannare än vad som tidigare varit möjligt.
Föreställ dig att kunna ta reda på vad som döljer sig långt under våra fötter, förutsäga vulkanutbrott, se runt hörn och kartlägga hjärnans aktivitet i minsta detalj. Det är några av de saker som kvantsensorer förväntas hjälpa oss att uppnå under de kommande decennierna. Forskningsfältet är brett och omfattar många typer av sensorer, med väldigt många olika användningsområden.
Vad är en kvantsensor?
Kvantsensorer använder kvanttillstånd för att göra mätningar. De drar nytta av det faktum att kvanttillstånd är extremt känsliga för störningar – det betyder att de också har potential att bli utomordentligt känsliga mätinstrument.
Mätapparater som utnyttjar kvantegenskaper har funnits ett tag, till exempel atomklockor, laseravståndsmätare och magnetisk resonanstomografi som används för medicinsk diagnos. Vad som nu kan betraktas som "nytt" är att individuella kvantsystem, som enskilda atomer och fotoner, i allt större utsträckning används som mätsonder, och att sammanflätning och manipulation av kvanttillstånd används för att öka känsligheten, även bortom gränsen som sätts av en konventionell formulering av den kvantmekaniska osäkerhetsprincipen.
Kvanttrick för att nå nya nivåer av noggrannhet
Kvantmekanikens osäkerhetsprincip begränsar hur exakt en mätning kan göras. Men det går faktiskt att förbättra mätnoggrannheten bortom vad som tidigare uppfattades som osäkerhetsprincipens gräns genom att manipulera kvantsystemen. Kvanttillståndet för mätsonden kan manipuleras så att osäkerheten skiftas till en annan fysisk storhet än den som ska mätas (detta kallas ett klämt tillstånd). Den fysiska kvantitet som är av intresse kan sedan mätas med ökad precision. Kvanttillstånd kan också manipuleras för att göra mätningen immun mot de starkaste bruskällorna.
Utmaningar
En allmän utmaning inom kvantsensorer är konflikten mellan att isolera de känsliga kvanttillstånden från yttre störningar, samtidigt som man behöver kunna manipulera kvanttillstånden och utsätta dem för den fysiska kvantitet som ska mätas.
I teorin har kvantsensorer fördelen av mycket mer exakta mätningar än konventionella sensorer. Men för att bli kommersiellt attraktiva måste fördelen realiseras i praktiken, till ett rimligt pris.
Redan tillgängligt
Som nämnts ovan finns det redan många typer av mätinstrument tillgängliga som på ett eller annat sätt utnyttjar kvantegenskaper. Atomklockor har blivit mindre och finns idag att köpa i fingernagelstorlek. Forskare tittar nu på att använda atomövergångar vid optiska eller till och med ultravioletta frekvenser, och även på att använda enstaka kvantsystem, för att utveckla ännu exaktare klockor.
Gravitationsvågsdetektorer arbetar nu med klämt ljus. Detta icke-klassiska (kvant)ljus möjliggör observation av gravitationsvågor som härrör från källor på avstånd längre bort än vi har kunnat se tidigare.
Vidare kan kompakta gravitationsmätare baserade på laserkylda atomer användas för att kartlägga underjorden i detalj, till exempel för mineralprospektering, geofysiska undersökningar och seismologi.
Att förvänta sig i framtiden
Den potentiella effekten av kvantsensorer är bred och betydande. Från ultra-högprecisionsmikroskopi, positioneringssystem, klockor, gravitations-, elektriska och magnetiska fältsensorer, till optisk upplösning bortom diffraktionsgränsen.
Kvantsensorer kommer definitivt att bidra till att främja forskningsfronten inom många vetenskapsområden.
Kvantsensorer förutspås också möjliggöra detaljerad kartläggning av underjorden, autonom körning, förbättrad övervakning av biologiska/cellprocesser eller medicinska tillstånd, gränssnitt mellan hjärna och maskin, detektering av spår av sprängämnen och gifter och förbättrad avbildningsteknik på både kort och långt avstånd.