Квантовий сенсор або квантовий давач — пристрій, що використовує квантово-механічні явища, такі як квантова суперпозиція, квантова заплутаність та квантове стиснення, для вимірювання фізичних величин. Якщо квантова система піддається вимірюванню і взаємодіє зі своїм оточенням відомим чином, тоді вимірювання цієї системи можуть надавати інформацію про її оточення. Теоретично точність такої сенсорної технології була б обмежена лише принципом невизначеності.

Галузь квантових сенсорів займається проєктуванням та інженерією квантово-механічних систем і вимірювань із потенціалом кращої продуктивності у низці технологічних застосувань, ніж будь-яка класична стратегія. Із широкого діапазону квантово-механічних систем, які можуть використовуватися як квантовий сенсор, більшість можна класифікувати як фотонні системи або системи твердого тіла.

Характеристики У фотоніці та квантовій оптиці фотонні квантові сенсори використовують заплутаність, одиночні фотони та для виконання надзвичайно точних вимірювань. Оптичні сенсори використовують квантові системи з неперервними змінними, такими як різні ступені вільності електромагнітного поля, вібраційні моди твердих тіл та конденсат Бозе-Ейнштейна. Існує кілька методів покращення цілей фотонними сенсорами, які використовувалися для покращення виявлення слабких сигналів за допомогою квантової кореляції.

Квантові сенсори часто базуються на системах із неперервними змінними, тобто квантових системах, що характеризуються неперервними ступенями вільності, такими як квадратури положення та імпульсу. Основний механізм роботи зазвичай ґрунтується на оптичних станах світла, часто із залученням квантово-механічних властивостей, таких як стиснення або двомодова заплутаність. Ці стани чутливі до фізичних перетворень, які виявляються за допомогою інтерферометричних вимірювань.

Квантові сенсори також можуть використовуватися в нефотонних галузях, таких як , пастки для іонів, та наночастинки. Ці системи можна порівнювати за фізичними характеристиками, на які вони реагують: наприклад, пастки для іонів реагують на електричні поля, тоді як спінові системи реагують на магнітні поля. Пастки для іонів корисні своїми квантованими рівнями руху, які сильно пов'язані з електричним полем. Їх пропонували використовувати для дослідження шуму електричного поля над поверхнями, а останнім часом — як датчики обертання.

У фізиці твердого тіла квантовий сенсор — це квантовий пристрій, що реагує на зовнішній стимул. Зазвичай це означає сенсор, який має квантовані енергетичні рівні, використовує квантову когерентність або заплутаність для покращення вимірювань порівняно з тим, що можна зробити за допомогою класичних сенсорів. Існує чотири критерії для квантових сенсорів твердого тіла:

Система повинна мати дискретні, роздільні енергетичні рівні. Сенсор має бути ініціалізований у відомий стан, а його стан має піддаватися зчитуванню. Сенсор має піддаватися когерентному керуванню. Сенсор взаємодіє з фізичною величиною та має певну реакцію на цю величину.

Дослідження та застосування Квантові сенсори мають застосування у широкому спектрі галузей, включно з мікроскопією, системами позиціонування, комунікаційними технологіями, датчиками електричного та магнітного полів, а також геофізичними дослідженнями, такими як пошук корисних копалин та сейсмологія. Багато вимірювальних пристроїв використовують квантові властивості для проведення вимірювань, наприклад атомні годинники, , та спектроскопи ядерного магнітного резонансу.

Хорошим прикладом раннього квантового сенсора є лавинний фотодіод (ЛФД). ЛФД використовувалися для виявлення заплутаних фотонів. З додатковим охолодженням та вдосконаленням сенсорів їх можна використовувати там, де раніше застосовувалися фотоелектронні помножувачі (ФЕП), наприклад у галузі медичної візуалізації. ЛФД у формі 2-D і навіть 3-D масивів можуть використовуватися як пряма заміна звичайних сенсорів на основі кремнієвих діодів.

DARPA запустила дослідницьку програму з оптичних квантових сенсорів, яка прагне використати ідеї з квантової метрології та , такі як квантова літографія та NOON-стан, для досягнення цих цілей за допомогою оптичних сенсорних систем, таких як лідар.DARPA Quantum Sensor Program .BROAD AGENCY ANNOUNCEMENT (BAA) 07-22 Quantum Sensors Сполучені Штати вважають квантове сенсування найбільш зрілою з квантових технологій для військового використання, теоретично замінюючи GPS у зонах без покриття або потенційно діючи разом із можливостями розвідки, спостереження та рекогностування (ISR) або виявляючи підводні чи підземні структури чи транспортні засоби, а також ядерні матеріали.

Євросоюз у свою чергу запустив проєкт Quantum Technology Flagship, який передбачає зокрема створення квантових магнітометрів та гравіметрів у військових застосуваннях НАТО, зокрема для дальнього виявлення підводних човнів.

Фотонні квантові сенсори, мікроскопія та детектори гравітаційних хвиль Інжекція стиснутого світла в інтерферометри дозволяє досягти вищої чутливості до слабких сигналів, які неможливо було б виявити класичними методами. Практичне застосування квантових сенсорів реалізовано у детектуванні гравітаційних хвиль. Детектори гравітаційних хвиль, такі як LIGO, використовують для вимірювання сигналів нижче . також використовувалося для виявлення сигналів нижче стандартної квантової межі в плазмонних сенсорах та атомно-силовій мікроскопії.

Використання усунення проєкційного шуму Квантове сенсування також має можливість подолати межі роздільної здатності, коли поточні проблеми зникнення розрізненості між двома близькими частотами можна подолати, зробивши проєкційний шум нульовим. Зменшення проєкційного шуму має прямі застосування в комунікаційних протоколах та нано-ядерному магнітному резонансі.

Інші застосування заплутаності Заплутаність можна використовувати для покращення існуючих атомних годинників або створення чутливіших магнітометрів.

Квантові радари також є активною областю досліджень. Поточні класичні радари можуть опитувати багато цільових комірок, тоді як квантові радари обмежені однією поляризацією або дальністю. Доказ концепції квантового радара або квантового освітлювача з використанням квантово-заплутаних мікрохвиль зміг виявити об'єкти з низькою відбивною здатністю за кімнатної температури. Такі технології можуть бути корисними для покращених радарних систем, сканерів безпеки та систем медичної візуалізації.

Нейровізуалізація У нейровізуалізації перший квантовий сканер мозку використовує магнітну візуалізацію та може стати новим підходом до сканування всього мозку.

Гравітаційна картографія підземних структур Квантові гравітаційні градієнтометри, які можна використовувати для та дослідження підземних структур, також перебувають у розробці.

Див. також Квантова метрологія

Примітки