Pozor na kvantový senzor
Kvantový počítač a kvantový kryptosystém nie sú jediné ciele výskumu a vývoja kvantových technológií. V skutočnosti oveľa bližšie k realizácii sú kvantové senzory – zariadenia, ktoré nám umožňujú odmerať aj tie najmenšie zmeny a hodnoty parametrov okolitého sveta.
Realizácia kvantových bitov je problematická pre ich citlivosť na vplyvy okolia – kvantový šum prostredia, ktorý spôsobuje dekoherenciu. Ako sa však hovorí, všetko zlé je na niečo dobré. Paradoxne práve táto slabina je silnou stránkou kvantových senzorov. A hlavne, pri kvantových senzoroch nie je otázka, či existujú a budú fungovať, ale kde môžu byť užitočné.
Štandardom dnešnej medicíny sú rôzne zobrazovacie techniky od röntgenu (RTG, CT) cez magnetickú rezonanciu (MRI) až po pozitrónovú emisnú tomografiu (PET). Vo svojej podstate sú kvantové, ale kvantové technológie v rámci druhej kvantovej revolúcie majú ambíciu a aj potenciál ich vylepšiť. Vo všeobecnosti by mali kvantové senzory merať a mapovať silové polia a pôsobenia, čím umožnia dostať sa doslova pod povrch a dovnútra všetkého vrátane vesmíru.
Biologické inšpirácie
Živý kvantový detektor – červienka obyčajná má na sietnici oka molekuly kryptochrómu citlivé na magnetické pole, ktoré ovplyvňujú jej videnie.
Biológovia už dlhšie predpokladajú, že sťahovavým vtákom pri navigácii zrejme pomáha ich schopnosť vnímať magnetické pole Zeme. Pri pokusoch s červienkou obyčajnou (Erithacus rubecula) zistili, že v umelo vytvorených magnetických poliach stráca orientáciu. Podobné správanie pozorovali aj pri červenom svetle, čo nepriamo naznačuje, že magnetický (navigačný) zmysel červienky je spojený s jej očami.
Následným skúmaním sa zistilo, že v sietnici oka červienky sa nachádza špeciálny svetlocitlivý proteín kryptochróm 4a, ktorý je výrazne citlivý najmä na modré svetlo. A jeho množstvo sa zvyšuje práve v obdobiach migrácie. Detailnejším pátraním po mechanizme navigácie prišli vedci k záveru, že táto schopnosť je zrejme vo svojej podstate kvantová. Túto predstavu podporuje aj pozorovaná dezorientácia červienok v prítomnosti špecifických frekvencií rádiových vĺn, čo naznačuje akúsi formu interferencie.
Mechanizmus radikálov
Absorbovaním modrého fotónu sa z kryptochrómu vyčlenia molekuly flavínadeníndinukleotidu (FAD) a tryptofánu (TRP). Spolu vytvoria tzv. radikálový pár – každá z nich obsahuje jeden nespárovaný elektrón. Spárované elektróny v rámci zlúčenín sú také dvojice elektrónov, ktorých kvantové čísla sa líšia iba spinom. Po vytvorení radikálov príde k ich rozdeleniu, ich spiny však zostanú kvantovo previazané.
Radikálový mechanizmus – absorpcia modrého fotónu vytvorí radikály s kvantovo previazanými spinmi, ktorých oscilácie závisia od magnetického poľa.
Spin je vo svojej podstate magnetka a priamo súvisí s magnetickými vlastnosťami materiálov. Po aktivácii fotónom tieto elektróny začnú v magnetickom poli oscilovať medzi paralelným (označujeme ako triplet) a antiparalelným (označujeme ako singlet) usporiadaním ich previazaných spinov. Magnetické pole určuje charakter oscilácie a výsledkom je rôzna doba aktivácie kryptochrómu, čo je podstatou
Vízia magnetovízie
Predstava je taká, že aktivácia kryptochrómu sa prejaví na samotnom signáli, ktorý zo sietnice smeruje na ďalšie spracovanie. Detaily celého procesu sú ešte predmetom výskumu, ale predpokladá sa, že v konečnom dôsledku červienka doslova vidí magnetické pole cez rôzne intenzity filtrovania jednotlivých častí výsledného obrazu.
Ak sú hypotézy správne a červienka udržiava stabilné kvantové stavy v podmienkach považovaných za kvantovo zašumené, tak tento výskum môže výrazne pomôcť v ďalšom vývoji. Oko červienky by mohlo inšpirovať nové spôsoby detekcie magnetických polí alebo ukladania kvantových informácií. Príroda často inšpirovala nové technológie a kvantová červienka môže byť toho ďalším príkladom.
Kvantové senzory
Princíp kvantových senzorov nie je konceptuálne zložitý. Využívame kvantové systémy, ktoré pripravíme v stave najcitlivejšom na daný parameter prostredia. Systém sa interakciou s prostredím mení a našou úlohou je zaznamenať túto zmenu. Tá závisí od hodnoty parametrov prostredia, a preto na základe tejto zmeny odvodíme nameranú hodnotu.
Čím presnejšie vieme zmerať systém a poznáme jeho interakciu s prostredím, tým rýchlejšie a presnejšie tieto hodnoty parametra určíme. Jednotlivý výsledok kvantového merania však nemá veľkú výpovednú hodnotu o parametroch prostredia, keďže je náhodný. Merania musíme opakovať a výsledkom kvantového merania je pravdepodobnosť. Chyba výslednej hodnoty je daná presnosťou určenia tejto pravdepodobnosti. Absolútna presnosť však vyžaduje nekonečne veľa opakovaní a je nedosiahnuteľná.
Štatistická presnosť v určení pravdepodobnosti typicky rýchlo klesá s odmocninou počtu opakovaní. V kvantovom prípade však vieme pri opakovaní meraní použiť aj previazané stavy a vďaka nim teoreticky vykonať presnejšie meranie a dosiahnuť škálovanie lineárne s počtom opakovaní. Teoretická presnosť určenia hodnoty parametra pri 100 opakovaniach s kvantovými zariadeniami je rovnaká ako pri 10 000 opakovaniach v klasickom prípade. Žiaľ, pripraviť požadované previazané stavy nie je vôbec jednoduché.
Typy kvantových senzorov
Kvantová senzorika však nie je len o štatistickej presnosti. Jej najdôležitejším aspektom je zvýšená rozlišovacia schopnosť. Vďaka nej vieme pozorovať deje, ktoré by sme inak nevideli. Dobrým príkladom je detekcia gravitačných vĺn. Použitím stlačených stavov svetla sa podarilo výrazne zvýšiť počet zaznamenaných detekcií. Momentálne LIGO zaznamenáva prejav gravitačných vĺn približne raz za tri dni, pričom na začiatku sa takéto udalosti pozorovali zhruba raz za mesiac.
Kvantová medicína
Väčšina z nás pozná elektrokardiograf (EKG) – vcelku bežné zariadenie, ktoré zaznamenáva elektrické signály tlkotu nášho srdca. Zaznamenávanie magnetických polí nám však ponúka dozvedieť sa o srdci a jeho chybách aj ďalšie detaily, prípadne rýchlejšie. Napríklad o ischémii myokardu, ktorá nie je vždy zistiteľná pomocou EKG. Viaceré výskumné tímy sa už venujú vývoju a testovaniu supercitlivého magnetokardiografu (MCG) založeného na technológii tzv. NV diamantových centier – porúch diamantovej mriežky, v ktorej sú dva susediace atómy uhlíka nahradené atómom dusíka a prázdnym miestom.
Magnetický encefalograf (MEG) meria slabé magnetické polia generované nervovou aktivitou v mozgu. Súčasné systémy MEG vyžadujú supravodivé senzory chladené na kryogénne teploty a umiestnené v magneticky tienených miestnostiach, čo obmedzuje ich dostupnosť a efektívnosť. Kvantové magnetometre založené na opticky čerpaných atómoch alebo NV centrách fungujú pri izbovej teplote. Existujú startupy, ktoré vyvíjajú nositeľné MEG systémy, čo by umožnilo skoršiu detekciu neurologických porúch, lepšie mapovanie mozgových funkcií pred operáciou a monitorovanie stavov, ako je epilepsia, v reálnom čase.
Kvantoví navigátori a hľadači
Navigácia pomocou satelitných systémov je bežne dostupným štandardom a funguje takmer všade. Je však náchylná na stratu signálu, či už prirodzenú (v tuneloch a pod.), alebo vyvolanú zámerným rušením signálu. Kvantové gyroskopy a akcelerometre založené na atómovej interferometrii poskytujú plnohodnotnú alternatívu. Priamym a ultrapresným meraním zrýchlenia a rotácie umožňujú vozidlám sledovať ich polohu bez potreby externej komunikácie. V marci tohto roku vo Veľkej Británii úspešne otestovali takýto kvantový navigačný systém v plnej vlakovej prevádzke.
Veľkou a zaujímavou oblasťou aplikácií je prieskum. Všetko skryté by sa malo mať na pozore. Kvantové gravimetre dokážu mapovať podzemné štruktúry, odhaľovať skryté tunely, poškodené potrubia a identifikovať zakopané objekty bez invazívneho kopania. Prví kvantoví hľadači sú už medzi nami.
Autori článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: wikipedia public domain, Exail