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Nov 11, 2023

センシングの量子 - 原子スケールが新たなセンサー ブームを促進

Immagina un sensore che rileva il campo magnetico dei pensieri e aiuta la luna

思考の磁場を検出したり、月面探査機が月の石に含まれる酸素を検出したり、暗黒物質からの電波を聞き取ったりできるセンサーを想像してみてください。 量子コンピューターが理論的には古典的なコンピューターでは決して解決できなかった問題の答えを見つけることができるのと同様に、新世代の量子センサーも新たなレベルの感度、新たな種類のアプリケーション、さまざまな分野やテクノロジーを進歩させる新たな機会につながる可能性があります。 、そして科学の追求。

量子技術は、宇宙が非常に小さなレベルで曖昧な場所になる可能性があるために発生する可能性のある量子効果に依存しています。 たとえば、重ね合わせとして知られる量子効果により、原子やその他の宇宙の構成要素が本質的に 2 つ以上の場所に同時に存在することができますが、もつれとして知られる別の量子効果により粒子がリンクされ、粒子同士が瞬時に影響を与えることができます。彼らはどれだけ離れているのか。

これらの量子効果は、外部からの干渉に対して脆弱であることで知られています。 ただし、量子コンピューターがこの弱点を克服しようと努めるのに対し、量子センサーはこの脆弱性を利用して、環境内のわずかな乱れに対する並外れた感度を実現します。 以下は、現在開発および導入されている多くの種類および種類の量子センサーのほんの一部です。

脳スキャン:脳内の電流は磁場を生成し、センサーが分析して脳の活動を非侵襲的にスキャンできます。 現在、量子センサーにより、ウェアラブル ヘルメットがこのような脳磁図 (MEG) スキャンを前例のないパフォーマンスとコストで実行できるようになりました。

現在、MEG スキャンは超伝導量子干渉デバイス (SQUID) として知られるセンサーを使用して実行されます。 これらは高価な液体ヘリウムで -269 °C まで冷却する必要があるため、スキャナーが非常に大型になります。 対照的に、英国ノッティンガムの新興企業Cerca Magneticsの新しいデバイスは、それぞれレゴブロックほどの大きさだ。

光ポンピング磁力計 (OPM) と呼ばれる各デバイスには、光検出器でルビジウム原子の雲を通してビームを照射するレーザーが含まれています。 このビームはルビジウム原子の磁場をすべて一列に並べることができ、雲を本質的に透明にします。 脳の活動から生じる磁場などの小さな磁場は、これらの原子を乱す可能性があり、原子が光を吸収できるようになり、光検出器がそれを感知することができ、レーザーが雲をリセットして磁気の乱れに応答し続けることができるようにします。

これらの量子センサーは室温で動作するため、SQUID よりもはるかにかさばりません。 これは、磁気画像を人間の頭にはるかに近づけて配置できることを意味し、その結果、脳表面積のミリメートル精度とミリ秒分解能の磁気画像の場合、少なくとも2倍、理論的には最大5倍良好な信号が得られるとマシュー・ブルックス氏は述べています。チェルカ会長、ノッティンガム大学の研究者。

Cerca Magnetics のウェアラブル MEG ヘルメットは、活発な子供でも安全に着用できると同社は述べています。Cerca Magnetics

また、センサーは小型で軽量であるため、ウェアラブル ヘルメットにセンサーを取り付けることができ、現在のように非常に長時間静止している必要はなく、スキャン中に自由に動けるようになります。 また、さまざまな頭の形や大きさに適応できるため、大人だけでなく子供や赤ちゃんもスキャンすることが可能です。 さらに、「OPM を使用した MEG は、原理的には SQUID を使用した場合よりもかなり安価です」と Brookes 氏は言います。 「OPM の初期段階にある現在でも、完全な MEG イメージング システムは、同様のパフォーマンスの SQUID システムの半分の価格です。」

Cerca スキャナーは、てんかん、脳震盪、認知症、統合失調症などの神経疾患の検査に役立ち、「重篤で衰弱させる多くの症状を解明するのに役立つ」と同氏は言う。

将来の研究では、これらのセンサーを理論的な感度の限界に近づけ、より自由な動きを可能にしておそらく人々を歩かせることができ、仮想現実と機械学習を追加して研究者が実験および分析の面でスキャナーを使ってできることを強化することを目指すことができます。ブルックス氏は言う。

重力マッピング:地球の重力場の強さをマッピングする新しい量子センサーは、地下に隠された地物を明らかにするのに役立つ可能性がある。

質量のあるものはすべて重力場を持っています。 この場の引力の強さは体の質量に依存します。 地球の質量は均等に広がっていないため、これは、惑星の重力が、ある場所では他の場所よりも強いことを意味します。

何十年もの間、重力地図作成によって大規模な地質活動の詳細が明らかにされてきましたが、近隣の交通からの振動などの局所的な騒音を考慮するために長い測定時間が必要となるため、このような重力地図作成をメートルスケールで採用することは困難です。

新しい量子センサーは、絶対零度より数百万分の１℃高い温度まで冷却されたルビジウム原子の雲を使用します。 レーザーパルスは原子を重ね合わせ状態に導き、2 つのバージョンの原子がわずかに異なる軌道をたどって落下し、これらの原子が再結合します。 次に、波と粒子の二重性 (粒子が波のように振る舞うことができる、またはその逆の量子現象) により、これらの原子は量子力学的に互いに干渉し、その山と谷が互いに増強または抑制し合います。 この干渉の性質を原子干渉法として知られる技術で分析すると、それぞれの経路に沿って感じられるわずかに異なる重力の程度が明らかになります。

このセンサーは砂時計のデザインを採用しており、デバイスの各半分に 1 つの雲が垂直方向に 1 メートルずつ分離されています。 そのため、センサーは同じ場所の 2 つの異なる高さで地球の重力の強さを分析できます。 これらの雲からのデータを比較することで、研究者はさまざまなノイズ源を説明できます。 実験では、イギリスのバーミンガム市にある 2 つの高層ビルの間の路面下約 0.5 メートルに埋設された 2 × 2 メートルの共同溝をセンサーが検出できました。

このセンサーの潜在的な用途としては、隠された地下構造の観察、地下天然資源の検出、地下遺跡の発見、火山活動や地下水の流れの監視などが挙げられます。

初期の冷蔵庫サイズのセンサーは約 300 キログラムで、約 750 ワットを消費しました。 英国バーミンガム大学の実験物理学者であり、このセンサーを商業化している新興企業デルタ-Gのディレクターであるマイケル・ホリンスキー氏によると、科学者たちは現在、電池で動作する重さ約20kgのバックパックサイズのセンサーの構築に取り組んでいるという。センサー。 「現在の目標は、今後 2 年間で次世代センサーの商用プロトタイプを完成させることです」と彼は言います。 「初期の市場では、センサー自体の価格は約 1 億ポンドです。しかし、センサーが作成するデータはより価値があり、英国の GDP の数パーセントに相当するアプリケーションに関連しています。」

新型コロナウイルスの検出:もう一つの有望な量子センサーは、世界的なパンデミックの背後にある SARS-CoV-2 ウイルスのより迅速、安価、より正確な検査につながる可能性があります。 これは、炭素原子が窒素原子に置換され、隣接する炭素原子が欠落している欠陥を内部に持つ微細な人工ダイヤモンドに依存しています。 結晶内のこの欠陥は小さな磁石のように振る舞い、その配列は磁場に非常に敏感であり、そのような「窒素空孔中心」がセンサーとして機能するのを助けます。

新しい技術には、幅約25ナノメートルの窒素空孔中心ダイヤモンドを磁性化合物でコーティングすることが含まれており、SARS-CoV-2ウイルスの特定のRNA配列と結合した後、宝石から切り離される。 これらのダイヤモンドは緑色の光で照らされると、赤い輝きを放ちます。 磁気コーティングがこの輝きを暗くします。 センサーをウイルスにさらすと、この輝きが増す可能性があります。

SARS-CoV-2 ウイルスの現在のゴールドスタンダード検査では、検出するのに十分なウイルスの遺伝物質のコピーを作成するのに数時間かかります。 さらに、存在するウイルスの量を高精度で定量化することはできず、偽陰性率が 25% を超える可能性があります。 対照的に、コンピュータシミュレーションによると、新しい検査は理論的にはわずか1秒で機能し、ウイルスRNAのわずか数百本を検出できるほどの感度があり、偽陰性率は1パーセント未満である可能性がある。

SARS-CoV-2 ウイルスの存在を検出する上記の量子センサーは、低コストの材料のみを使用しています。 研究者らによると、この装置はスケールアップしてサンプルのバッチ全体を一度に分析できる可能性があるという。MIT

実験に使用されたナノダイヤモンドとその他の材料は安価です。 さらに、この新しい方法は、標的ウイルスに合わせて磁性コーティングを調整することにより、出現する可能性のあるあらゆる新しいウイルスを含む事実上あらゆるウイルスに適応できる可能性があります。 彼らは現在、センサーを合成してテストし、センサーが実際にどれだけうまく機能するかを確認しています。 「近いうちに有望な結果が得られることを期待しています」と、MITの量子エンジニアである研究者のチャンハオ・リー氏は言う。

細胞と分子の探索:量子ダイヤモンドセンサーは、細胞内の温度計にも使用できます。 ダイヤモンドの窒素空孔中心は、小さな温度変動に非常に敏感です。 シカゴ大学の物理学者ピーター・マウラーらは、細胞内の温度を摂氏数千分の1度までマッピングするために、そのような欠陥をもつナノメートルスケールのダイヤモンドを生きた細胞に注入し、結晶がレーザー光線にどのように反応するかを調べた。

アルゴンヌ国立研究所の実験物理学者デイビッド・オーシャローム氏は、「このような原子スケールの温度計を使って、温度が細胞分裂、遺伝子発現、分子が細胞に出入りする仕組みなど、医学や生物学におけるすべての主要な疑問にどのような影響を与えるかを調査することを想像できるだろう」と語る。 Q-NEXTコンソーシアム理事。

さらに、マウラーと彼の同僚は、本質的に分子の MRI スキャンを実行するために窒素空孔中心を持つダイヤモンドを使用することを研究しています。 「量子センサーを使用すると、単一分子のレベルまでMRIを実行して、その構造と機能の関係を理解できるようになります。これにより、医学への理解が根本的に向上する可能性があります」とオーシャローム氏は言う。

科学者らは、窒素空孔中心を有するダイヤモンドの表面に単一のタンパク質と DNA 分子を繋ぎ止める新しい方法を開発した。 これらの分子の磁場を分析することで、「原子間の距離、原子間の相互作用の強さ、それらがどこにあるか、そして何がそれらを結びつけているのかを理解することができる」とオーシャローム氏は言う。

量子加速度計:現在、世界は GPS などの全地球測位衛星システムに大きく依存していますが、そのような測位、ナビゲーション、タイミングを可能にする衛星リンクは地下や水中では機能せず、妨害、なりすまし、天候に対して脆弱です。 インペリアル・カレッジ・ロンドンとグラスゴーに本拠を置く企業エムスクエアードの量子センサーは、GPSが拒否された場合でも船舶の航行を支援できるようになった。

量子センサーは、重力マッピング装置と同様の原子干渉計です。 原子波束の位相がどのように変化するかを分析すると、原子波束が経験した加速度や回転が明らかになり、デバイスはそれを使用して位置の時間変化を計算できます。

この量子加速度計は、外部信号に依存しない慣性ナビゲーション システムの基盤として役立ちます。 インペリアル・カレッジ・ロンドン冷物質センターの研究員ジョセフ・コッター氏によると、温度変動やその他の要因により、外部基準信号がなければ従来の慣性航法システムの位置推定値は数時間以内にドリフトするが、エムスクエアードのデバイスは数日経ってもドリフトが無視できる程度だという。 。

「この新たな量子技術を早期に採用するのは、水中および水上車両の長距離航行に興味を持つ人々である可能性が高い」とコッター氏は言う。 「しかし、この技術が発展し、ますます小型化、低コスト化が進むにつれ、船舶、列車、航空機への導入を通じて、輸送業界全体に幅広いメリットがもたらされるでしょう。」

研究者らは今夏、最新のデバイスの実地試験を計画している。 現在、量子加速度計は「洗濯機 2 台ほどの大きさです」とコッター氏は述べています。 「さらなるコンパクト化を目指して取り組んでいます。」

量子ソフトウェア:ほとんどの量子センサー企業がハードウェアに焦点を当てているのに対し、シドニーを拠点とするスタートアップ Q-CTRL は、量子技術を強化するソフトウェアに焦点を当てています。 Q-CTRL の CEO 兼創設者である Michael Biercuk 氏は、「量子センサーを未使用の実験室環境から現場に持ち出すと、プラットフォーム内のノイズによりパフォーマンスが大幅に低下することがよくあります」と述べています。 「私たちの焦点は、量子制御ソフトウェアでこのパフォーマンスを取り戻すことです。」

たとえば、多くの量子センサーはレーザーを使用して冷たい原子をスキャンし、環境の変化を検出しますが、デバイス内で何らかの動きがあると、原子がレーザービームの外に出てしまう可能性があります。 「当社のソフトウェアを使用すると、ハードウェア自体に変更を加えることなく、光のパルス (周波数、振幅、位相) を整形して、動きに対する耐性を高めることができます」と Biercuk 氏は言います。

Q-CTRL は、シドニーに本拠を置く慣性航法会社 Advanced Navigation と提携して、1 立方メートル未満に収まり、GPS が拒否された地域でも動作できるルビジウムベースの原子干渉計慣性航法システムを開発しています。 「私たちは、2023 年にフィールド可能なシステムを最初に納入することを目指しています」と Biercuk 氏は言います。

同社はまた、衛星に原子干渉計を搭載し、現在のコストの100分の1で宇宙から重力マッピングを実行することを目指しており、2025年にはデモンストレーションペイロードを地球低軌道に打ち上げる予定である。さらに、Q-CTRLはオーストラリアのセブンのメンバーである。姉妹宇宙産業コンソーシアムは、NASA のアルテミス プログラムを支援する新しい月面探査機を設計しています。このプログラムでは、Q-CTRL が月の岩石の酸素を磁気的に分析するルビジウムベースの量子原子磁力計の開発に取り組んでいます。

ダークマター、巨大望遠鏡:量子センサーは、地球をはるかに超えた物質の探査に役立つ可能性があります。 たとえば、宇宙最大の謎の 1 つは、宇宙の全物質の 6 分の 5 を構成すると考えられている目に見えない物質であるダークマターの性質と正体です。 暗黒物質の有力な理論的候補にはアクシオンとして知られる粒子が含まれますが、これらの粒子は原理的に非常に低い質量を持ち、せいぜい陽子の質量のわずか1兆分の1であり、検出が困難です。

スタンフォード大学の量子物理学者ケント・アーウィンらは、アクシオンや同様の暗黒物質候補を検出するための「暗黒物質ラジオ」を開発している。 デバイス内の強力な磁石はアクシオンを電波に変換し、量子センサーはこれらの非常に弱い無線信号を増幅して検出することを目的としています。

暗黒物質無線機が探査する周波数には、無線放送に使用される周波数が含まれるため、この装置は液体ヘリウムで冷却された超伝導ニオブ金属の薄い層内でシールドする必要があります。 これにより人工信号は遮断されるはずですが、暗黒物質が容易に侵入してしまいます。 「私たちは現在、約1立方メートルの規模の暗黒物質ラジオのバージョンを計画しており、今後数年以内にそれを構築したいと考えています」とアーウィン氏は言う。

量子物理学は巨大望遠鏡アレイの実現にも役立つかもしれない、とアーウィン氏は言う。 理論的には、空間内に広く離れた複数の望遠鏡を組み合わせて、幅数千キロメートルの単一の望遠鏡を基本的に形成することができます。

可視光をイメージングする光学望遠鏡でこのようなアレイを形成することは、これらの望遠鏡を接続する光ファイバーに必然的に発生するランダムな変動のため困難です。 ただし、もつれにより、原理的には長距離にわたるデータの量子テレポーテーションが可能になります。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の量子光学研究者ポール・クウィアット氏は現在、そのような「量子強化望遠鏡」を卓上実験で研究している。 「それはまだ非常に遠いですが、真の聖杯でもあり、信じられないほどエキサイティングな月面ショットです」とアーウィンは言います。 地球の直径とほぼ同じ望遠鏡アレイは、原理的には近くの星にある都市の大きさを特徴づける画像になるかもしれない、と彼は言う。

未知の限界:最近、オーストリアの科学者が最初のプログラム可能な量子センサーを開発しました。これは、量子力学の法則によって課せられる基本的な限界近くで動作する前例のないレベルの感度が可能なデバイスです。

この研究では、量子コンピューターがそのコンポーネントの状態を測定するための最適な設定を見つけるようにプログラムされました。 彼らは、このプログラム可能な量子センサーが、基本的なセンシング限界に最大約 1.45 倍まで近づくのに十分な最適化ができることを発見しました。 (センサーが最終的な感知限界である 1 に近づくほど、その性能は向上します。)彼らは、プログラム可能な量子センサーが、磁気センサーや慣性センサーだけでなく、原子時計や全地球測位システムなどのデバイスにも使用できる可能性があることを示唆しています。

全体として、「単一タンパク質から天文学や宇宙論の疑問に至るまで、あらゆるものをカバーする量子センサーが非常に高い精度で登場しつつある」とオーシャローム氏は言う。

この記事は、2022 年 6 月の印刷号に「量子センサー ブームへのガイド」として掲載されます。