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Nov 11, 2023

Ein Quantum an Sensorik – Atommaßstab fördert neuen Sensorboom

Stellen Sie sich Sensoren vor, die die magnetischen Felder der Gedanken erkennen und dem Mond helfen können

Stellen Sie sich Sensoren vor, die die Magnetfelder von Gedanken erkennen, Mondrover dabei helfen können, Sauerstoff im Mondgestein aufzuspüren, oder Radiowellen aus dunkler Materie abhören können. So wie Quantencomputer theoretisch Antworten auf Probleme finden können, die kein klassischer Computer jemals lösen könnte, kann auch eine neue Generation von Quantensensoren zu neuen Empfindlichkeitsniveaus, neuen Anwendungsarten und neuen Möglichkeiten zur Weiterentwicklung einer Reihe von Bereichen und Technologien führen und wissenschaftliche Aktivitäten.

Die Quantentechnologie beruht auf Quanteneffekten, die entstehen können, weil das Universum auf seinen kleinsten Ebenen zu einem unscharfen Ort werden kann. Beispielsweise ermöglicht der als Überlagerung bekannte Quanteneffekt, dass Atome und andere Bausteine ​​des Kosmos praktisch an zwei oder mehr Orten gleichzeitig existieren, während ein anderer als Verschränkung bekannter Quanteneffekt Teilchen verbinden kann, sodass sie sich unabhängig davon sofort gegenseitig beeinflussen können wie weit sie voneinander entfernt sind.

Diese Quanteneffekte sind äußerst empfindlich gegenüber Einmischungen von außen. Während Quantencomputer jedoch versuchen, diese Schwäche zu überwinden, machen sich Quantensensoren diese Schwachstelle zunutze, um eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Störungen in der Umgebung zu erreichen. Nachfolgend finden Sie nur eine kleine Auswahl der vielen Arten und Varianten von Quantensensoren, die heute entwickelt und eingesetzt werden.

GEHIRN-SCANS: Elektrische Ströme im Gehirn erzeugen Magnetfelder, die Sensoren analysieren können, um die Gehirnaktivität nichtinvasiv zu scannen. Jetzt ermöglichen Quantensensoren einen tragbaren Helm, der solche Magnetenzephalographie-Scans (MEG) mit beispielloser Leistung und Kosten durchführt.

Derzeit werden MEG-Scans mit Sensoren durchgeführt, die als supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs) bekannt sind. Diese erfordern eine Kühlung mit teurem flüssigem Helium auf -269 °C, was die Scanner extrem groß macht. Im Gegensatz dazu sind die neuen Geräte des Startups Cerca Magnetics im englischen Nottingham jeweils etwa so groß wie ein Legostein.

Jedes Gerät, ein sogenanntes optisch gepumptes Magnetometer (OPM), enthält einen Laser, der einen Strahl durch eine Wolke aus Rubidiumatomen auf einen Lichtdetektor richtet. Der Strahl kann dafür sorgen, dass die Magnetfelder der Rubidiumatome alle ausgerichtet werden, wodurch die Wolke im Wesentlichen transparent wird. Winzige Magnetfelder, etwa durch Gehirnaktivität, können diese Atome stören, sodass sie Licht absorbieren können, das der Lichtdetektor erkennen kann, und der Laser setzt die Wolke zurück, sodass sie weiterhin auf magnetische Störungen reagieren kann.

Die Tatsache, dass diese Quantensensoren bei Raumtemperatur funktionieren, macht sie viel weniger sperrig als SQUIDs. Das bedeutet, dass sie viel näher am Kopf einer Person platziert werden können, was zu einem Signal führt, das mindestens zwei Mal besser und theoretisch bis zu fünf Mal besser ist, für magnetische Bilder mit Millimetergenauigkeit und Millisekundenauflösung von Oberflächenbereichen des Gehirns, sagt Matthew Brookes. Vorsitzender von Cerca und Forscher an der University of Nottingham.

Die tragbaren MEG-Helme von Cerca Magnetics können sogar von einem aktiven Kind sicher getragen werden, so das Unternehmen.Cerca Magnetics

Da die Sensoren klein und leicht sind, können sie auch in einem tragbaren Helm montiert werden, sodass sich die Menschen beim Scannen frei bewegen können, anstatt wie derzeit üblich über sehr lange Zeiträume still zu bleiben. Darüber hinaus lässt es sich an unterschiedliche Kopfformen und -größen anpassen, sodass nicht nur Erwachsene, sondern auch Kinder und Babys gescannt werden können. Darüber hinaus „ist MEG mit OPMs im Prinzip deutlich günstiger als mit SQUIDs“, sagt Brookes. „Selbst jetzt, in der Anfangszeit der OPMs, ist ein vollständiges MEG-Bildgebungssystem bei ähnlicher Leistung immer noch halb so teuer wie ein SQUID-System.“

Der Cerca-Scanner kann dabei helfen, neurologische Störungen wie Epilepsie, Gehirnerschütterungen, Demenz und Schizophrenie zu untersuchen und „viele schwere und schwächende Erkrankungen aufzuklären“, sagt er.

Zukünftige Forschungen können darauf abzielen, diese Sensoren näher an ihre theoretischen Empfindlichkeitsgrenzen zu bringen, mehr Bewegungsfreiheit zu ermöglichen, um Menschen vielleicht gehen zu lassen, und virtuelle Realität und maschinelles Lernen hinzuzufügen, um die Möglichkeiten der Forscher mit den Scannern im experimentellen und analytischen Bereich zu steigern. Brookes sagt.

Schwerkraftkartierung:Ein neuer Quantensensor, der die Stärke des Gravitationsfeldes der Erde abbildet, kann dabei helfen, unter der Erde verborgene Merkmale aufzudecken.

Alles, was Masse hat, besitzt ein Gravitationsfeld. Die Stärke der Anziehungskraft dieses Feldes hängt von der Masse eines Körpers ab. Da die Masse der Erde nicht gleichmäßig verteilt ist, bedeutet dies, dass die Schwerkraft des Planeten an einigen Stellen stärker ist als an anderen.

Jahrzehntelang hat die Schwerkraftkartierung Details großräumiger geologischer Aktivitäten aufgedeckt, doch die Anwendung einer solchen Schwerkraftkartographie im Metermaßstab ist eine Herausforderung, da lange Messzeiten erforderlich sind, um lokale Geräusche, wie etwa Erschütterungen durch den nahegelegenen Verkehr, zu berücksichtigen.

Der neue Quantensensor nutzt Wolken aus Rubidiumatomen, die auf wenige Millionstel Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Laserpulse treiben die Atome in Überlagerungszustände, wobei zwei Versionen der Atome auf leicht unterschiedlichen Flugbahnen herunterfallen und diese Atome dann wieder kombiniert werden. Dann interferieren diese Atome aufgrund der Welle-Teilchen-Dualität – dem Quantenphänomen, bei dem Teilchen wie Wellen wirken können und umgekehrt – quantenmechanisch miteinander, wobei sich ihre Spitzen und Tiefen gegenseitig verstärken oder unterdrücken. Die Analyse der Natur dieser Interferenz, eine Technik, die als Atominterferometrie bekannt ist, kann das Ausmaß der leicht unterschiedlichen Gravitationskräfte aufdecken, die entlang ihrer einzelnen Pfade spürbar sind.

Der Sensor verfügt über ein Sanduhrdesign mit einer Wolke in jeder Gerätehälfte, die vertikal einen Meter voneinander entfernt ist. Somit kann der Sensor die Stärke der Erdschwerkraft in zwei unterschiedlichen Höhen am selben Ort analysieren. Durch den Vergleich der Daten dieser Wolken können die Forscher verschiedene Lärmquellen erklären. In Experimenten konnte der Sensor einen 2 mal 2 Meter großen Versorgungstunnel erkennen, der etwa 0,5 Meter unter der Straßenoberfläche zwischen zwei mehrstöckigen Gebäuden in der Stadt Birmingham in England vergraben war.

Zu den potenziellen Anwendungen des Sensors gehören das Erkennen versteckter unterirdischer Strukturen, das Aufspüren unterirdischer natürlicher Ressourcen, das Entdecken unterirdischer archäologischer Stätten sowie die Überwachung vulkanischer Aktivitäten und Grundwasserströme.

Der ursprüngliche Sensor in Kühlschrankgröße wog etwa 300 Kilogramm und verbrauchte etwa 750 Watt. Die Wissenschaftler arbeiten derzeit daran, einen rucksackgroßen Sensor mit einem Gewicht von etwa 20 kg zu bauen, der mit Batterien betrieben wird, sagt Michael Holynski, Experimentalphysiker an der Universität Birmingham in England und Direktor des Startups Delta-G, das den Sensor kommerzialisiert Sensor. „Das aktuelle Ziel besteht darin, in den nächsten zwei Jahren einen kommerziellen Prototyp eines Sensors der nächsten Generation zu entwickeln“, sagt er. „Die ersten Märkte für die Sensoren selbst bewegen sich bei etwa 100 Millionen Pfund. Die Daten, die sie erzeugen, sind jedoch wertvoller und für Anwendungen relevant, die im Vereinigten Königreich nur wenige Prozent des BIP ausmachen.“

COVID ERKENNEN: Ein weiterer vielversprechender Quantensensor könnte zu schnelleren, günstigeren und genaueren Tests auf das SARS-CoV-2-Virus führen, das hinter der globalen Pandemie steckt. Dabei handelt es sich um mikroskopisch kleine künstliche Diamanten mit Defekten im Inneren, bei denen ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt ist und das benachbarte Kohlenstoffatom fehlt. Dieser Defekt in den Kristallen verhält sich wie ein winziger Magnet, dessen Ausrichtung sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert, sodass solche „Stickstoff-Leerstellenzentren“ als Sensoren dienen.

Bei der neuen Technik werden etwa 25 Nanometer breite Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellenzentren mit magnetischen Verbindungen beschichtet, die sich von den Edelsteinen lösen, nachdem sie sich mit der spezifischen RNA-Sequenz des SARS-CoV-2-Virus verbinden. Wenn diese Diamanten mit grünem Licht beleuchtet werden, strahlen sie einen roten Glanz aus. Die magnetische Beschichtung dämpft dieses Leuchten; Wenn die Sensoren dem Virus ausgesetzt werden, kann dieses Leuchten verstärkt werden.

Der aktuelle Goldstandardtest für das SARS-CoV-2-Virus benötigt mehrere Stunden, um genügend Kopien des genetischen Materials des Virus für den Nachweis zu erstellen. Darüber hinaus kann die Menge des vorhandenen Virus nicht mit hoher Genauigkeit quantifiziert werden und es kann zu Falsch-Negativ-Raten von mehr als 25 Prozent kommen. Im Gegensatz dazu deuten Computersimulationen darauf hin, dass der neue Test theoretisch in nur einer Sekunde funktionieren kann, empfindlich genug ist, um nur wenige hundert Stränge der viralen RNA zu erkennen, und eine Falsch-Negativ-Rate von unter 1 Prozent aufweisen könnte.

Der obige Quantensensor für das Vorhandensein des SARS-CoV-2-Virus verwendet ausschließlich kostengünstige Materialien. Den Forschern zufolge könnten die Geräte so skaliert werden, dass sie eine ganze Charge von Proben auf einmal analysieren können.MIT

Die Nano-Diamanten und die anderen im Test verwendeten Materialien sind günstig. Darüber hinaus könnte diese neue Methode an praktisch jedes Virus angepasst werden, einschließlich aller neu auftretenden Viren, indem die magnetische Beschichtung an das Zielvirus angepasst wird. Sie synthetisieren und testen derzeit die Sensoren, um zu sehen, wie gut sie tatsächlich funktionieren. „Wir hoffen, sehr bald vielversprechende Ergebnisse zu erhalten“, sagt der Forscher Changhao Li, Quanteningenieur am MIT.

ZELLEN UND MOLEKÜLE UNTERSUCHUNG: Quantendiamantsensoren können auch in Thermometern im Inneren von Zellen Verwendung finden. Stickstoff-Fehlstellenzentren in Diamanten reagieren sehr empfindlich auf kleine Temperaturschwankungen. Der Physiker Peter Maurer von der University of Chicago und seine Kollegen haben nanometergroße Diamanten mit solchen Defekten in lebende Zellen injiziert und untersucht, wie die Kristalle auf Laserstrahlen reagierten, um Temperaturen innerhalb der Zellen auf wenige Tausendstel Grad Celsius genau abzubilden.

„Man kann sich vorstellen, mit solchen Thermometern im atomaren Maßstab zu untersuchen, wie die Temperatur die Zellteilung, die Genexpression und den Ein- und Austritt von Molekülen in Zellen beeinflusst – alles wichtige Fragen in der Medizin und Biologie“, sagt der Experimentalphysiker David Awschalom vom Argonne National Laboratory Direktor des Q-NEXT-Konsortiums.

Darüber hinaus untersuchen Maurer und seine Kollegen die Verwendung von Diamanten mit Stickstoff-Leerstellenzentren, um im Wesentlichen MRT-Scans an Molekülen durchzuführen. „Mit Quantensensoren kann man MRT bis auf die Ebene einzelner Moleküle durchführen, um die Beziehung zwischen ihrer Struktur und Funktion zu verstehen, was unser Verständnis der Medizin radikal verbessern könnte“, sagt Awschalom.

Die Wissenschaftler entwickelten eine neue Methode, um einzelne Protein- und DNA-Moleküle an die Oberfläche von Diamanten zu binden, die Stickstoff-Leerstellenzentren beherbergen. Durch die Analyse der Magnetfelder dieser Moleküle „kann man die Abstände zwischen Atomen, die Stärke der Wechselwirkungen zwischen ihnen verstehen, wo sie sich befinden und was sie zusammenhält“, sagt Awschalom.

Quantenbeschleunigungsmesser: Die Welt ist heute stark auf globale Navigationssatellitensysteme wie GPS angewiesen, aber die Satellitenverbindungen, die eine solche Positionierung, Navigation und Zeitmessung ermöglichen, funktionieren weder unter der Erde noch unter Wasser und sind anfällig für Störungen, Spoofing und Wettereinflüsse. Jetzt kann ein Quantensensor des Imperial College London und des in Glasgow ansässigen Unternehmens M Squared Schiffen helfen, auch dann zu navigieren, wenn GPS verweigert wird.

Der Quantensensor ist ein Atominterferometer wie das Gerät zur Schwerkraftkartierung. Durch die Analyse, wie sich die Phase seiner atomaren Wellenpakete verschiebt, kann die Beschleunigung oder Rotation, die sie erfahren haben, aufgedeckt werden, anhand derer das Gerät die zeitliche Änderung seiner Position berechnen kann.

Dieser Quantenbeschleunigungsmesser kann als Grundlage für ein Trägheitsnavigationssystem dienen, das nicht auf externe Signale angewiesen ist. Während Temperaturschwankungen und andere Faktoren dazu führen, dass die Positionsschätzungen herkömmlicher Trägheitsnavigationssysteme ohne externes Referenzsignal innerhalb von Stunden driften, erfährt das Gerät von M Squared selbst nach Tagen eine vernachlässigbare Drift, sagt Joseph Cotter, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Centre for Cold Matter des Imperial College London .

„Die ersten Anwender dieser neuen Quantentechnologie dürften diejenigen sein, die an der Langstreckennavigation für Unterwasser- und Oberflächenfahrzeuge interessiert sind“, sagt Cotter. „Da sich die Technologie jedoch weiterentwickelt und immer kompakter und kostengünstiger wird, wird sie durch den Einsatz auf Schiffen, Zügen und Flugzeugen in der gesamten Transportbranche größere Vorteile bringen.“

Die Forscher planen für diesen Sommer Feldtests für ihr neuestes Gerät. Derzeit ist der Quantenbeschleunigungsmesser „ungefähr so ​​groß wie zwei Waschmaschinen“, stellt Cotter fest. „Wir arbeiten daran, es noch kompakter zu machen.“

QUANTUM-SOFTWARE: Während sich die meisten Quantensensor-Unternehmen auf die Hardware konzentrieren, konzentriert sich das in Sydney ansässige Startup Q-CTRL auf Software zur Verbesserung der Quantentechnologie. „Wenn man Quantensensoren aus unberührten Laborumgebungen ins Feld bringt, stellt man oft einen enormen Leistungsabfall aufgrund von Rauschen in den Plattformen fest“, sagt Michael Biercuk, CEO und Gründer von Q-CTRL. „Unser Fokus liegt darauf, diese Leistung mit unserer Quantenkontrollsoftware zurückzuerobern.“

Beispielsweise verwenden viele Quantensensoren Laser, um kalte Atome zu scannen, um etwaige Veränderungen in der Umgebung zu erkennen, aber jede Bewegung im Gerät kann dazu führen, dass sich die Atome aus den Laserstrahlen bewegen. „Mit unserer Software können wir den Lichtimpuls – seine Frequenz, Amplitude, Phase – so formen, dass er bewegungsresistenter wird, ohne dass Änderungen an der Hardware selbst erforderlich sind“, sagt Biercuk.

Q-CTRL arbeitet mit dem in Sydney ansässigen Trägheitsnavigationsunternehmen Advanced Navigation zusammen, um ein Rubidium-basiertes Atom-Interferometer-Trägheitsnavigationssystem zu entwickeln, das in weniger als 1 Kubikmeter passt und in Gebieten ohne GPS eingesetzt werden kann. „Wir streben die erste Lieferung feldtauglicher Systeme im Jahr 2023 an“, sagt Biercuk.

Das Unternehmen beabsichtigt außerdem, Atominterferometer an Bord von Satelliten zu platzieren, um Schwerkraftkartierungen aus dem Weltraum zu 100-mal geringeren Kosten als derzeit durchzuführen. Der Start von Demonstrationsnutzlasten in die erdnahe Umlaufbahn wird für 2025 erwartet. Darüber hinaus ist Q-CTRL Mitglied der australischen Sieben Das Raumfahrtindustriekonsortium Sisters entwirft einen neuen Mondrover zur Unterstützung des Artemis-Programms der NASA, in dem Q-CTRL an einem Rubidium-basierten Quantenatommagnetometer arbeitet, um Mondgestein magnetisch auf Sauerstoff zu analysieren.

Dunkle Materie, riesige Teleskope: Quantensensoren könnten dabei helfen, Dinge weit über die Erde hinaus zu erforschen. Eines der größten Geheimnisse im Universum ist beispielsweise die Natur und Identität der Dunklen Materie, der unsichtbaren Substanz, von der angenommen wird, dass sie fünf Sechstel der gesamten Materie im Universum ausmacht. Zu den wichtigsten theoretischen Kandidaten für Dunkle Materie gehören Teilchen, die als Axionen bekannt sind und im Prinzip eine äußerst geringe Masse haben, höchstens ein Billionstel der Masse des Protons, was ihre Entdeckung schwierig macht.

Der Quantenphysiker Kent Irwin von der Stanford University und seine Kollegen entwickeln ein „Radio für dunkle Materie“, um Axionen und ähnliche Kandidaten für dunkle Materie zu erkennen. Ein starker Magnet im Gerät wandelt Axionen in Radiowellen um, und Quantensensoren sollen diese extrem schwachen Radiosignale verstärken und erkennen.

Da zu den Frequenzen, die das Dunkle-Materie-Radio untersuchen wird, auch Frequenzen gehören, die für drahtlose Übertragungen verwendet werden, muss das Gerät durch eine dünne Schicht aus supraleitendem Niobmetall, das in flüssigem Helium gekühlt wird, abgeschirmt werden. Dies soll künstliche Signale abschirmen, kann aber leicht von dunkler Materie durchdrungen werden. „Wir planen derzeit eine Version des Dunkle-Materie-Radios im Maßstab von etwa einem Kubikmeter, die wir in den nächsten Jahren bauen möchten“, sagt Irwin.

Die Quantenphysik könnte auch dazu beitragen, riesige Teleskop-Arrays zu ermöglichen, sagt Irwin. Mehrere im Weltraum weit voneinander entfernte Teleskope können theoretisch zu einem einzigen Teleskop mit einer Breite von mehreren Tausend Kilometern kombiniert werden.

Die Bildung solcher Arrays mit optischen Teleskopen, die sichtbares Licht abbilden, ist aufgrund zufälliger Fluktuationen schwierig, die unweigerlich in allen Glasfasern auftreten, die diese Teleskope verbinden. Allerdings kann die Verschränkung prinzipiell eine Quantenteleportation von Daten über große Entfernungen ermöglichen.

Der Quantenoptikforscher Paul Kwiat von der University of Illinois at Urbana-Champaign untersucht derzeit solche „quantenverstärkte Teleskope“ mit Tischexperimenten. „Es ist noch sehr weit weg, aber es ist auch ein wahrer heiliger Gral, eine Mondaufnahme, die unglaublich aufregend ist“, sagt Irwin. Ein Teleskoparray, das ungefähr den Durchmesser der Erde hat, könnte im Prinzip Merkmale von der Größe von Städten auf nahegelegenen Sternen abbilden, sagt er.

UNVOLLSTÄNDIGE GRENZEN:Kürzlich haben Wissenschaftler in Österreich den ersten programmierbaren Quantensensor entwickelt, ein Gerät mit einer beispiellosen Empfindlichkeit, das nahe den grundlegenden Grenzen der Gesetze der Quantenmechanik arbeitet.

In dieser Arbeit programmierten sie einen Quantencomputer so, dass er für sich selbst die besten Einstellungen findet, mit denen er die Zustände seiner Komponenten messen kann. Sie fanden heraus, dass dieser programmierbare Quantensensor sich selbst so weit optimieren konnte, dass er sich der grundlegenden Wahrnehmungsgrenze bis zu einem Faktor von etwa 1,45 nähert. (Je näher sich ein Sensor der ultimativen Erfassungsgrenze von 1 nähert, desto besser ist seine Leistung.) Sie schlagen vor, dass programmierbare Quantensensoren in Geräten wie Atomuhren und globalen Positionierungssystemen sowie in Magnet- und Trägheitssensoren Verwendung finden könnten.

Alles in allem „entstehen Quantensensoren mit außerordentlicher Präzision, die alles von einzelnen Proteinen bis hin zu Fragen der Astronomie und Kosmologie abdecken“, sagt Awschalom.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom Juni 2022 als „Ein Leitfaden zum Quantensensor-Boom“.