Czujniki kwantowe – przyszłość metrologii

Nasz świat jest pełen czujników. Termostaty dbają o komfort w domach, a termometry podpowiadają, w co mamy się ubrać. Samochody mierzą poziom paliwa i oleju, temperaturę silnika, siłę nacisku na pedał gazu. Smartfony i zegarki zalewają nas danymi o naszej aktywności fizycznej i zdrowiu. Czujniki te działają zazwyczaj zgodnie z prawami fizyki klasycznej, która opisuje zachowanie większości przedmiotów codziennego użytku.

Dodaj do ulubionych źródeł w Google
Posłuchaj
00:00

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

Chcesz częściej widzieć nasze artykuły w Google? Dodaj ElektronikaB2B do ulubionych źródeł
Powiązane treści
Technologie kwantowe – kto jest liderem?
Komputery kwantowe to wciąż odległa przyszłość - ale coraz bardziej konieczna
Dania chce mieć najpotężniejszy na świecie komputer kwantowy
Rekordowa transakcja w branży komputerów kwantowych
Komputery kwantowe - o co w tym chodzi?
WAVE-TEST: od mierników pól elektromagnetycznych po analizatory RF
IQM zainstaluje pierwszy w Polsce komputer kwantowy
Zobacz więcej w kategorii: Opinie
Pomiary
Lokalizacja bez GPS-a coraz bardziej potrzebna
Pomiary
Instrument-as-a-Software - instrumenty pomiarowe definiowane programowo
Produkcja elektroniki
Certyfikacja: ufność czy ograniczone zaufanie?
Zasilanie
Zasilanie pionowe lekarstwem na problemy z integralnością
Zasilanie
Zasilanie 0,3 V w układach cyfrowych
Produkcja elektroniki
Analizy procesów i dokumentacja techniczna - tworzyć, czy nie?
Zobacz więcej z tagiem: Pomiary
Prezentacje firmowe
Systemy rejestracji czasu pracy – technologie identyfikacji i kryteria wyboru
Prezentacje firmowe
Zaawansowana diagnostyka komunikacji w bramkach Moxa MGate MB3000-G2
Informacje z firm
Swire Coca-Cola optymalizuje utrzymanie ruchu dzięki sztucznej inteligencji i MLnext

Zobaczyć obiekt oczami radaru, czyli dlaczego potrzebujemy laboratorium do pomiarów RCS?

Radar postrzega świat inaczej niż człowiek. Zamiast obrazu tworzonego przez światło widzialne rejestruje echo wysłanej fali elektromagnetycznej. Na odpowiedź radarową obiektu wpływają nie tylko jego rozmiary, lecz także kształt, zastosowane materiały, częstotliwość oraz kierunek obserwacji. Dlatego dwa przedmioty o podobnych wymiarach mogą być dla radaru widoczne zupełnie inaczej. Jak zatem sprawdzić, co radar rzeczywiście "widzi"? Służą temu pomiary RCS, prowadzone między innymi w specjalistycznych laboratoriach, które zapewniają kontrolowane i powtarzalne warunki oraz umożliwiają uzyskanie dokładności wymaganej w danym zastosowaniu.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów