Na przykład, możemy wykryć zmianę temperatury w pomieszczeniu, monitorując zmieniający się opór przewodu lub określić swoją wagę, mierząc ściśnięcie sprężyny. Większość dzisiejszych czujników nie wykorzystuje mechaniki kwantowej. To się może niedługo zmienić, gdyż czujniki wykorzystujące właściwości kwantowe będą w stanie zapewnić dużą przewagę i otworzyć szeroki wachlarz nowych zastosowań w biomedycynie i opiece zdrowotnej, geologii, badaniach materiałowych, poszukiwaniach złóż, nawigacji, astronomii, informatyce i wielu innych dziedzinach.
Teoria kwantowa mówi, że materia i światło występują w postaci cząstek elementarnych, takich jak elektrony i fotony. Cząstki te nie mogą mieć dowolnej ilości energii; są raczej ograniczone do dozwolonych poziomów, podobnie jak drabina ogranicza nas do poszczególnych szczebli podczas wspinaczki. Teoria kwantowa mówi nam również, że cząstki elementarne mają właściwość zwaną spinem, która sprawia, że działają jak maleńkie magnesy. Czujnik kwantowy wykorzystuje te właściwości do pomiaru czegoś w sposób, który byłby niemożliwy przy użyciu samej fizyki klasycznej.
Czujnikiem kwantowym jest zegar atomowy, który wykorzystuje poziomy energii atomowej do pomiaru czasu. Magnetometry wykorzystujące nadprzewodnictwo oraz systemy obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), to także przykłady takich czujników. Teraz dołącza do nich grupa ultraprecyzyjnych czujników kwantowych, które obiecują lepsze metody pomiaru niektórych z najważniejszych wielkości fizycznych, takich jak światło, grawitacja, temperatura oraz pola elektryczne i magnetyczne.
Czujniki kwantowe są często o wiele bardziej czułe. Potrafią wykryć niezwykle drobne zmiany, takie jak wzrost energii spowodowany pojedynczym fotonem. Często dają też dokładniejsze odczyty niż ich klasyczne odpowiedniki, ponieważ energia potrzebna do przeniesienia atomu z jednego dozwolonego stanu energetycznego do drugiego jest znana z dużą dokładnością. Z tego powodu czujniki kwantowe nie wymagają okresowej kalibracji i dają bardziej spójne wyniki niż konwencjonalne sensory, ponieważ wszystkie atomy danego typu są identyczne, a ich właściwości nigdy się nie zmieniają. W rezultacie wszystkie czujniki kwantowe powinny dawać spójne wyniki bez dodatkowych zabiegów znanych ze zwykłych wersji, jak linearyzacja, kalibracja, kompensacja. Zaletą czujników kwantowych są w wielu przypadkach ich niewielkie rozmiary, a więc też możliwości integracji są znacznie lepsze.
Skoro jest tyle zalet, to czemu takie czujniki można policzyć na palcach jednej ręki? Pierwszy powód jest taki, że projektowanie i produkcja czujników kwantowych wymaga ekspertów w dziedzinie fizyki, inżynierii materiałowej, optyki i inżynierii precyzyjnej. Takich interdyscyplinarnych specjalistów nie ma wielu. Drugi problem to wysoki koszt – wiele czujników kwantowych może kosztować tysiące dolarów za sztukę. Jednak jest to stan na dzisiaj.
W ciągu najbliższych kilku lat prawdopodobnie na rynku pojawią się grawimetry i elektrometry. Grawimetry z interferometrią atomową przydają się w poszukiwaniach ropy, gazu i minerałów, ponieważ są czułe i nie wymagają kalibracji. Elektrometry mogą wykrywać pola elektryczne w dużym zakresie częstotliwości, od prądu stałego do setek gigaherców, czego nie jest w stanie wykonać żadna konwencjonalna antena, a magnetometry kwantowe mogą obecnie mierzyć pola magnetyczne wielokrotnie słabsze niż pole magnetyczne Ziemi. Tak, jak komputery kwantowe mogą zmienić informatykę, tak samo czujniki kwantowe są w stanie jakościowo zmienić aparaturę. Koszty nowych technologii zawsze są wysokie, niemniej rzadko tworzą barierę nie do przebycia.
Robert Magdziak
