Шестое чувство: где могут устроить революцию квантовые сенсоры
Сенсоры — отдельное направление рынка квантовых технологий. По сравнению с обычными сенсорами квантовые обладают уникальным сочетанием свойств — микроскопическим размером при сверхвысокой чувствительности. Их разработка и внедрение ведутся в последние несколько лет, а принципы работы основаны на таких явлениях квантовой механики, как суперпозиция, квантовая запутанность и квантовое измерение.
«Все виды сенсоров высокого технического уровня являются квантовыми», — рассказывает в интервью журналу РБК профессор Университета Саутгемптона Тим Фригард. Сенсоры есть в смартфоне: камера, акселерометр, магнитометр, датчик освещенности, датчик приближения, сканер отпечатков пальцев и другие. Однако разработки последнего времени отличаются от нынешних массовых решений — они были сделаны уже во время так называемой второй квантовой революции.
Разнообразные сенсоры нового поколения могут дать мощный импульс развитию нескольких индустрий — нефтегазовой отрасли, транспорту, строительству и т.д. По оценке консалтингового агентства Persistence Market Research, к 2025 году мировой рынок квантовых сенсоров вырастет до $329,4 млн. Однако сегодня большинство продуктов второй квантовой революции еще не покинули стен лабораторий и находятся «в процессе преобразования в демонстрационные прототипы», замечает профессор Фригард.
Журнал РБК изучил самые перспективные варианты применения новых квантовых сенсоров.
МРТ молекулы
Медицина ждет внедрения «сенсоров будущего» как ни одна другая отрасль. Если сегодня доктора исследуют организм 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.
Пример использования устройства — атомные часы Национального института стандартов и технологий США, в 37 раз более точные, чем международный стандарт времени. Часы не отстанут и не ускорятся ни на секунду в течение более 15 млрд лет.
Изменение «скорости тикания» атомов происходит под действием силы тяжести, магнитного и электрического полей и других явлений. Чем меньше чувствительность, тем точнее часы. Часы разных видов чувствительны к разным явлениям, а большая чувствительность позволяет относить их к сенсорам.
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.