Квантовые сенсоры сегодня - это пока всего лишь лабораторные разработки. Но в ближайшем будущем они могут вылиться в многомиллионную индустрию и применяться во многих областях.
Сенсоры - это целое и самостоятельное направление рынка квантовых технологий. Их разработки ведутся уже последние несколько лет. В отличие от обычных сенсоров, квантовые обладают сверхвысокой чувствительностью и микроскопическими размерами. А принцип их работы основан на таких явлениях квантовой механики, как суперпозиция, квантовая запутанность и квантовое измерение.
«Все виды сенсоров высокого технического уровня являются квантовыми», — рассказывает профессор Университета Саутгемптона Тим Фригард. Сенсоры есть в смартфоне: акселерометр, магнитометр, датчик приближения, датчик освещенности, камера, сенсор отпечатков пальцев и многие другие. Однако, разработки последнего времени отличаются от широко известных нам - они были сделаны уже во время так называемой второй квантовой революции.
Разнообразные сенсоры нового поколения могут дать мощный импульс таким областям как - нефтегазовая отрасль, транспортная индустрия, строительство.
По оценке консалтингового агентства Persistence Market Research, к 2025 году мировой рынок квантовых сенсоров вырастет до $329,4 млн. Однако, на сегодня большинство проектов пока еще не покинули стен лабораторий, им еще предстоит пройти ряд серьезных исследований и испытаний прежде чем предстать всему миру.
Приведу примеры самых перспективных вариантов применений новых квантовых сенсоров:
МРТ молекулы
Медицина ждет внедрения квантовых сенсоров как ни одна другая отрасль. Если сегодня организм исследуют на уровне органов, то квантовая революция позволит заглянуть буквально в каждую клетку тела.
В 2017 году группа исследователей из Университета Штутгарта и Института физики твердого тела Общества Макса Планка разработала первый квантовый сенсор, способный, по словам руководителя группы профессора Йорга Врактрупа, «разложить молекулу практически на отдельные атомы».
Сенсор умеет сканировать белки и потенциально должен уметь обнаружить пораженные белки на самой ранней стадии одного из самых опасных в мире заболеваний — болезни Крейтцфельдта — Якоба. Это заболевание, также называемое «коровьим бешенством», разрушает головной мозг, но магнитно-резонансная томография (МРТ) не позволяет диагностировать его с необходимой точностью.
В отдаленном будущем умение проникать в отдельную клетку также может помочь в создании искусственного мозга, не уступающего по интеллекту человеческому.
Космический гравиметр
Квантовый гравиметр — разработка Университета Бирмингема. Этот сенсор поможет в поисках новых месторождений нефти и других полезных ископаемых. Оснащенные им устройства также научатся обнаруживать пустоты под землей, создающие угрозу для работы в шахтах, описывали потенциал изобретения аналитики Persistence Market Research. Строительство — еще одно вероятное поле деятельности сенсора: инженеры смогут более точно проектировать и размещать подземные коммуникации.
Технология гравиметра основана на «холодных» атомах: охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, они становятся сверхчувствительными к минимальным изменениям силы тяжести и фиксируют эти изменения для измерителя.
«Холодные» атомы планируется использовать не только в бизнесе: с их помощью также можно мониторить массу мировых льдов, океанских течений и уровень моря. А британская компания Teledyne e2v совместно с Clyde Space и Университетом Бирмингема готовит проект по производству «холодных» атомов в космосе, на борту специального спутника. Миссия получила название CASPA (Cold Atom Space Payload — «Полезная нагрузка на холодный атом»).
Собственные разработки гравитационных сенсоров есть и у Министерства обороны Великобритании. Ведомственная лаборатория разрабатывает устройства для отслеживания изменений физических свойств объектов «сквозь стены». Технология, надеются исследователи, приведет к научным прорывам в области навигации и станет альтернативой спутникам GPS, уязвимым для хакерских атак.
"Квантовая пленка"
В ноябре 2017 года Apple приобрела стартап InVisage, разработавший «квантовую пленку» — матрицу на основе квантовых точек. Сенсор имеет расширенный динамический диапазон и высокую светочувствительность. Ранее стартап привлек $98 млн от InterWest Partners, Nokia Growth Partners и других инвесторов.
Современные цифровые матрицы в фотоаппаратах и смартфонах делают на основе кремниевых чипов. По сравнению с аналоговой пленкой у них меньший диапазон, то есть камера может передать меньше тонов между светом и тенью. При контрастном освещении яркость объектов может не «уместиться» в динамический диапазон матрицы, например, на фотографиях «проваливается» небо.
В сенсоре Quantum Film свет сначала проходит через матрицу цветных фильтров, а затем попадает на слой с квантовыми точками, которые нанесены на него подобно краске. Особое расположение элементов сенсора увеличивает способность воспринимать свет, что обеспечивает больший динамический диапазон и лучшее качество изображения в условиях низкой освещенности.
Всего у InVisage 27 патентов, но воспользуется ли Apple «квантовой пленкой», пока неизвестно. «Apple время от времени покупает небольшие компании, но мы не обсуждаем наши цели», — прокомментировал представитель корпорации поглощение InVisage порталу TechCrunch.
Квантовые часы как универсальный сенсор
Квантовые часы — разновидность атомных часов и самый необычный сенсор: они ничего не «чувствуют» непосредственно, только определяют время, но могут быть использованы для измерения других величин, например гравитации. «Тикают» в них атомы. Стандартом для измерения времени считается атом цезия-133, в последних квантовых часах используются атомы стронция, а также «квантовый» газ. Часы не отстанут и не ускорятся ни на секунду в течение более 15 млрд лет.
В будущем квантовые часы могут прийти на смену часам, которые используются в системах GPS и ГЛОНАСС. По прогнозу Persistence Market Research, всплеск спроса на технологию случится, как только она будет доведена до массового рынка. Квантовые часы пригодятся на рынках, которые, как ожидается, резко увеличат объем в ближайшие годы: интернет вещей, беспилотные автомобили и другие автономно управляемые устройства с необходимостью точных замеров времени.
P.S. Подписывайтесь на мой канал в Telegram, если вам понравилась эта статья.