محققان موسسه نیلز بور (NBI) یک مانع کلیدی برای توسعه دستگاه‌های نظارتی فوق حساس مبتنی بر فناوری کوانتومی را برطرف کردند. برتری حسگرهای کوانتومی در مواردی مانند رصد ضربان قلب جنین و یا دیگر معاینات حساس پزشکی مشخص می‌شود. از آنجایی که این حسگرها از پدیده‌هایی در مقیاس اتم استفاده می کنند، می توانند بسیار دقیق تر از حسگرهای امروزی باشند.
تمام فرآیندهای زندگی شامل تغییرات کوچک در میدان های مغناطیسی و جریان های بافتی است. حسگرهای کوانتومی می توانند این تغییرات بسیار کوچک را تشخیص دهند. با این حال، یک چالش کلیدی تشخیص سیگنال های مورد نظر از انواع مختلف نویز است. این مشکلی است که محققان موسسه نیلزبور دانشگاه کپنهاگ به حل آن کمک کرده است و نتیجه آنها در Nature Communications منتشر شده است.
رفتار اتم ها، الکترون ها و فوتون ها توسط مکانیک کوانتومی توصیف می شود. ذرات نه تنها دارای خواص فیزیکی هستند، بلکه در حالت‌های خاصی هم هستند. در سنجش‌های کوانتومی، نور در حالت های خاصی آماده برهمکنش با ماده ای می‌شود که تحت تاثیر میدان خاصی است که قرار است اندازه گیری شود. پس از برهم کنش، نور اطلاعات اندازه گیری شده را حمل می کند و با دقت بالایی قابل تشخیص است.
پولزیک توضیح می دهد: "مهندسی سیستم کاوشگر کوانتومی باید متناسب با سیگنال مورد نظر باشد. این یکی از چالش های اصلی برای سنجش کوانتومی است، زیرا حذف کامل نویز ناخواسته دشوار است." حتی پس از حذف منابع معمولی نویز، مانند تجهیزات الکترونیکی در اتاق و غیره، اثرات مکانیک کوانتومی باقی خواهد ماند. برخلاف فیزیک کلاسیک، مکانیک کوانتومی حالت کوانتومی و سایر ویژگی‌های یک ذره را به عنوان تابع احتمال یا عدم قطعیت معرفی می‌کند.
یکی از منابع نویز کوانتومی عدم قطعیت مرتبط با ورود ذرات نور (فوتون) به آشکارساز است. این به عنوان شات نویز شناخته می شود. علاوه بر این، هنگامی که فوتون ها تکانه خود را به آشکارساز منتقل می کنند، خود این برهمکنش منبع نویز کوانتومی است که این نویز به عنوان پس کنش(backaction) کوانتومی شناخته می شود. این تیم در مقاله علمی خود، روشی را برای شناسایی نویزهایی که از دنیای کوانتومی می آید، نشان می‌دهند، در نتیجه اجازه می دهد تا آن را حذف کنند و سیگنال موردنظر باقی بماند.
علاوه بر معاینات پزشکی، سنسورهای کوانتومی مغناطیسی ممکن است کاربردهایی در زمینه‌های دیگر پیدا کنند. یکی از آنها تشخیص امواج گرانشی است. وجود امواج گرانشی کیهانی توسط آلبرت اینشتین به صورت نظری به خوبی ثابت شده است. با این حال، از آنجایی که اثر امواج گرانشی در رابطه با انواع دیگر سیگنال‌های کیهانی ضعیف است، لازم است روش‌های موجود برای بررسی بر امواج گرانشی بهبود یابد.
سنسورهای کوانتومی مغناطیسی همراه با آنتن‌های امواج گرانشی ممکن است پاسخی به چالش نظارت بر امواج گرانشی باشد و در نتیجه به درک عمیق‌تر منشأ و توسعه کیهان کمک کند.
منبع
Jun Jia et al, Acoustic frequency atomic spin oscillator in the quantum regime, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42059-y
