Veijo Hänninen

Anturointia kvanttitasolla

Aivan kuten GPS, tutka, lidar ja muut sähkömagneettiset tekniikat käyttävät kvanttifysiikkaa nykyään tuottaen työkaluja kaduille, lentokoneisiin ja jopa perusmatkapuhelimiin, kvanttitunnistus on parhaillaan siirtymässä laboratoriotekniikasta teollisuuden, terveydenhoidon ja talouselämän työkaluksi.

Kvanttitasoinen tunnistus parantaa huomattavasti tarkkuutta siinä, miten mittaamme, navigoimme, tutkimme ja olemme vuorovaikutuksessa ympäröivän maailman kanssa havaitsemalla liikkeen sekä sähkö- ja magneettikenttien muutoksia.

Analysoitava data kerätään yksittäisien atomien tasolta eikä niinkään suurista atomien tai muiden hiukkasten kokoelmista kuten tapahtuu klassisessa fysiikassa.

Kvanttianturit käyttävät kvanttiresursseja atomien muutosten mittaamiseen suuremmalla tarkkuudella kuin mikään perinteinen mittausstrategia pystyy. Kvanttiresurssit ovat fyysisiä ominaisuuksia, joita ei esiinny klassisessa fysiikassa ja sellaisia ovat lomittuminen, kvantti-interferenssi (superpositio), diskreetit tilat ja koherenssi.

Esimerkiksi kvanttioptiikka perustuu tyypillisesti mittauksiin, joissa käytetään valon eri näkökohtia tai fotoneja, mutta kvanttiantureita voidaan valmistaa myös muista väliaineista, kuten atomeista, puolijohteista ja timanteista.

Timanttianturit

Eräs suosittu ja kaupallisesti tarjolla oleva kvanttianturitekniikka on timanttien typpivakanssikeskuksin (NV) rakentuvat timanttianturit.

Sellaisia tarjoavat muun muassa saksalainen Quantum Diamons Sensor Technology sekä puolustus-, ilmailu- ja turvallisuusratkaisuihin teknologioihin erikoistunut BAE Systems

NV-keskuksilla toimiva kvanttitunnistin kykenee tilalliseen resoluution ja herkkyyteen, joihin klassiset anturit eivät pysty. Erityisesti niillä on ennennäkemätön herkkyys magneettikentille, lämpötilalle ja paineelle.

Kiinalaisten fyysikkojen tutkimuksen mukaan kvanttianturit, jotka perustuvat timantin kiderakenteen mikroskooppisiin virheisiin, voivat toimia jopa 140 gigapascalin paineissa.

NV-vakansseilla toimivat huoneenlämmössä ilman ylimääräistä suojausta maan magneettikentältä, ja ne sisältävät elektronisia spinejä pitkillä koherenssiajoilla. Spin-tilat voidaan aktivoida optisesti ja niiden muutokset voidaan havaita optisesti. Tämä mahdollistaa magneettikenttien ja muiden fysikaalisten ominaisuuksien erittäin tarkan mittauksen.

Teollisia sovelluksia

Timanttipohjaiset kvanttianturit ovat monipuolinen ratkaisu esimerkiksi kvanttitietotekniikan tutkimukselle.

Timanttien NV-keskukset ovat houkuttelevia ehdokkaita kubiteille, koska niitä voidaan helposti ohjata ja manipuloida optisilla tekniikoilla.

Timantilla on suuri kaistaero ja sitä voidaan rikastaa "hiljaisilla" ytimillä, kuten ¹²C. Siksi se on melkein tyhjiön kaltainen ympäristö, joka on ihanteellinen kubiteille lomittumaan minimaalisella kohinalla.

NV-keskuksiin liittyvien elektronien spin-tilojen pitkät koherenssiajat huoneenlämpötilassa tekevät niistä kestäviä dekoherenssille ja ihanteellisen ehdokkaan kvanttilaskentaan ilman jäähdyttävää kryogeniikkaa.

Puolijohteiden valmistuksessa kvanttianturit mahdollistanevat myös Mooren lain jatkon sirun mittojen pienentämisessä ja parantavat käsittelynopeutta ja vähentää energiankulutusta. Yksi mahdollinen ratkaisu kvanttitimanttimikroskooppi, joka mahdollistaa erittäin korkean avaruudellisen resoluution (25 - 50 nm).

Terveydenhuoltoalalla biologinen ymmärrys rajoittuu kuvitteelliseen "keskimääräiseen" soluun. Lisäksi diagnostiikka on tällä hetkellä myös aikaa vievä monivaiheinen prosessi.

NV-kvanttianturit tarjoavat vaihtoehdon optisille menetelmille käyttämällä magneettista ilmaisua tavallisen biomarkkeritunnistuksen sijaan. Tämä poistaa taustavalon vaikutuksen tuloksiin ja mahdollistaa tarkemmat mittaukset ilman näytteen valmistelua.

Ylittää nykyiset tutkatekniikat

Enemmänkin tieteellisellä tasolla Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) akateemikko Guo Guangcanin ja professori Sun Fangwenin johtaman ryhmä on toteuttanut kvanttiparannetun mikroaaltojen etäisyysmittauksen.

Tiimi käytti mikro- ja nanotason kvanttitunnistusta yhdistettynä paikallisen sähkömagneettisen kentän tehostukseen syvällä alle aallonpituuden asteikolla mikroaaltosignaalien havaitsemisen ja langattomaan etäisyystunnistukseen, jolloin he saavuttivat kvanttiparannetun paikanmittauksen 10 mikrometrin tarkkuudella, joka on noin kymmenen tuhannesosaa aallonpituudesta.

Mikroaaltosignaalien mittaukseen perustuvaa tutkapaikannustekniikkaa käytetään laajalti sellaisissa toimissa kuin automaattinen ajo, älykäs valmistus, terveydentilan seuranta ja geologinen tutkimus.

Seuraavat aiheen tulevat tutkimukset mahdollistavat radiolokalisoinnin tarkkuuden, näytteenottotaajuuden ja muiden spinkvanttitunnistukseen perustuvien indikaattoreiden parantamisen ja käytännöllisen kiintoaineisen kvanttitutkapaikannustekniikan kehittämisen, joka ylittää olemassa olevien tutkien suorituskykytason.

Suprailmiö nanometreissä ja terahertsien jaksoissa

Iowan osavaltion yliopiston fysiikan ja tähtitieteen professori Jigang Wang, yhdessä Yhdysvaltain energiaministeriön Amesin kansalliseen laboratorion kanssa ovat kehittäneet uuden instrumentin valolla ohjattujen supravirtojen mittauksiin.

Wang kutsuu laitetta kryogeeniseksi magneetti-terahertsipyyhkäisyn lähikenttäoptiseksi mikroskoopiksi. (cm-SNOM.)

Suprajohtavilla materiaaleilla on monia käyttötarkoituksia mutta nykyään myös kvanttilaskennan parissa. Yksi strategia supravirtavirtojen ohjaamiseksi kubiteissa on käyttää vahvoja valoaaltopulsseja.

"Suprajohtava teknologia on tärkeä painopiste kvanttilaskentaan", Wang sanoo. "Joten meidän on tarkkaan ymmärrettävä ja karakterisoitava suprajohtavuus ja se kuinka sitä ohjataan valolla."

Ja sitä cm-SNOM-instrumentti tekee. "Tämä on uusi tapa mitata suprajohtavuuden vastetta valoaaltopulssien alla", Wang sanoi. "Käytämme työkalujamme tarjotaksemme uuden kuvan tästä kvanttitilasta nanometrin pituisissa asteikoissa terahertsijaksojen aikana."

Jatkossa tutkija aikovat selvittää voisiko mittaukset mennä supravirtatunneloinnin visualisointiin yksittäisissä Josephson-liitoksissa, elektronien liikkeestä yli kahden suprajohdetta erottavan esteen?

"Meidän on todella mitattava tälle tasolle, jotta voimme vaikuttaa kvanttitietokoneiden kubittien optimointiin", hän sanoi. "Se on iso tavoite. Ja tämä on nyt vain pieni askel siihen suuntaan."

Lomittumista ja delokalisointia

Uusi tieteellinen tutkimus on tuonut esiin myös kvanttiantureiden verkottumisen lomittumisen kautta. Esimerkiksi atomikelloja ja kiihtyvyysantureita lomittamalla on saatua aikaan useiden kertaluokkien parannus mittaus ja laskentatarkkuudessa. Erityisesti lomittumisen avulla näissä saavutetaan standardin kvanttirajan alapuolella olevan herkkyystaso.

JILAn ja NIST:n stipendiaatti James Thompsonin tutkijaryhmä on puolestaan onnistuneesti yhdistänyt sekä atomien välisen lomittumisen että atomien delokalisoitumisen eli hiukkasen olon kahdessa paikassa samaan aikaan.

Näiden temppujen avulla he ovat toteuttaneet aine-aalto interferometrin, joka pystyy havaitsemaan kiihtyvyydet tarkkuudella, joka ylittää standardin kvanttirajan ensimmäistä kertaa.

Menettelyn avulla tulevaisuuden kvanttianturit pystyvät tarjoamaan tarkempaa navigointia, etsimään tarvittavia luonnonvaroja, määrittämään tarkemmin perusvakiot, kuten hienorakenteen ja gravitaatiovakiot, etsimään tarkemmin pimeää ainetta tai ehkä jopa yhtenä päivänä havaita gravitaatioaaltoja.