Блог

Nov 11, 2023

Квант сенсорного восприятия: атомный масштаб способствует буму новых сенсоров

Представьте себе датчики, способные обнаружить магнитные поля мыслей, помогающие лунным

Представьте себе датчики, которые могут обнаруживать магнитные поля мыслей, помогать луноходам обнаруживать кислород в лунных камнях или слушать радиоволны темной материи. Точно так же, как квантовые компьютеры теоретически могут найти ответы на проблемы, которые не мог бы решить ни один классический компьютер, так и новое поколение квантовых датчиков может привести к новым уровням чувствительности, новым видам приложений и новым возможностям для развития ряда областей и технологий. и научные занятия.

Квантовые технологии опираются на квантовые эффекты, которые могут возникнуть из-за того, что Вселенная может стать нечетким местом на самых маленьких уровнях. Например, квантовый эффект, известный как суперпозиция, позволяет атомам и другим строительным блокам космоса существовать в двух или более местах одновременно, в то время как другой квантовый эффект, известный как запутанность, может связывать частицы так, что они могут мгновенно влиять друг на друга независимо от насколько они далеко друг от друга.

Эти квантовые эффекты печально известны своей хрупкостью к внешнему вмешательству. Однако в то время как квантовые компьютеры стремятся преодолеть эту слабость, квантовые датчики используют эту уязвимость для достижения исключительной чувствительности к малейшим возмущениям в окружающей среде. Ниже приведена лишь небольшая выборка из множества видов и разновидностей квантовых датчиков, которые разрабатываются и используются сегодня.

СКАНИРОВАНИЕ МОЗГА: Электрические токи внутри мозга генерируют магнитные поля, которые датчики могут анализировать для неинвазивного сканирования активности мозга. Теперь квантовые датчики позволяют носимому шлему выполнять такое магнитоэнцефалографическое сканирование (МЭГ) с беспрецедентной производительностью и стоимостью.

В настоящее время сканирование МЭГ выполняется с помощью датчиков, известных как сверхпроводящие устройства квантовой интерференции (СКВИДы). Они требуют охлаждения дорогим жидким гелием до -269 °C, что делает сканеры чрезвычайно большими. Напротив, каждое из новых устройств от стартапа Cerca Magnetics из Ноттингема, Англия, размером с кирпичик Lego.

Каждое устройство, называемое магнитометром с оптической накачкой (ОПМ), содержит лазер, который пропускает луч через облако атомов рубидия на детектор света. Луч может выровнять магнитные поля атомов рубидия, делая облако практически прозрачным. Крошечные магнитные поля, например, возникающие в результате активности мозга, могут нарушать работу этих атомов, делая их способными поглощать свет, который может восприниматься детектором света, а лазер сбрасывает облако, чтобы оно могло продолжать реагировать на магнитные возмущения.

Тот факт, что эти квантовые датчики работают при комнатной температуре, делает их гораздо менее громоздкими, чем СКВИДы. Это означает, что их можно расположить гораздо ближе к голове человека, в результате чего сигнал будет как минимум в два раза лучше, а теоретически – в пять раз лучше для магнитных изображений с миллиметровой точностью и миллисекундным разрешением поверхностных участков мозга, говорит Мэтью Брукс. председатель Cerca и исследователь Ноттингемского университета.

По словам компании, носимые шлемы MEG Cerca Magnetics могут безопасно носить даже активные дети. Cerca Magnetics

Небольшой и легкий вес датчиков также означает, что их можно установить в носимом шлеме, чтобы люди могли свободно передвигаться во время сканирования, вместо того, чтобы оставаться на месте в течение очень длительного времени, как это происходит в настоящее время. Кроме того, он может адаптироваться к разным формам и размерам головы, что позволяет сканировать не только взрослых, но и детей и младенцев. Более того, «MEG с OPM в принципе намного дешевле, чем со SQUID», — говорит Брукс. «Даже сейчас, на заре появления OPM, полноценная система визуализации MEG по-прежнему стоит вдвое дешевле системы SQUID при аналогичной производительности».

Сканер Cerca может помочь выявить неврологические расстройства, такие как эпилепсия, сотрясение мозга, деменция и шизофрения, «помогая пролить свет на многие тяжелые и изнурительные состояния», говорит он.

Будущие исследования могут быть направлены на то, чтобы приблизить эти датчики к их теоретическим пределам чувствительности, предоставить больше свободы передвижения, чтобы, возможно, позволить людям ходить, а также добавить виртуальную реальность и машинное обучение, чтобы расширить возможности исследователей с помощью сканеров на экспериментальном и аналитическом фронтах. — говорит Брукс.