Kot Schrödingera i platformy magnetomechaniczne
Czujniki kwantowe to jedno z najbardziej interesujących sposobów wykorzystania osiągnięć fizyki kwantowej. Pentagon chce wykorzystywać je w satelitach przyszłości, dostawcy usług nawigacyjnych widzą w nich przyszłość systemu GPS, nawet lekarze czekają na możliwość wykrywania wczesnych oznak chorób przy pomocy wykrywaczy opartych na technologii kwantowej. Możliwości nowych rozwiązań wydają się wręcz nieskończone, jednak już teraz naukowcy potrzebują coraz lepszych platform technologicznych do przeprowadzania doświadczeń. Celem projektu MaQSens było opracowanie platformy, która miała stanowić odpowiedź na kluczowe pytanie: w jaki sposób możemy wykorzystać cechy kwantowe lub metody oparte na osiągnięciach fizyki kwantowej do usprawnienia naszych obecnych możliwości w zakresie wykrywania? Uczestnicy projektu skoncentrowali się przede wszystkim na czujnikach inercyjnych, wykorzystywanych w celu monitorowania zdarzeń sejsmologicznych i do nawigacji. „Udzielenie odpowiedzi na to pytanie wymaga wysokiego poziomu kontroli nad obiektem, który podlega działaniu sił zewnętrznych”, wyjaśnia Markus Aspelmeyer, koordynator projektu z ramienia Uniwersytetu Wiedeńskiego. „Komputery kwantowe istotnie przyspieszyły rozwój elementów nadprzewodnikowych wykorzystywanych w celu kontroli procesów kwantowych, a w ostatnich latach podobnie szybki rozwój obserwujemy w dziedzinie nanomechaniki. Projekt MaQSens łączy wszystkie te najnowsze osiągnięcia. Wykorzystujemy je w ramach platformy, która zapewnia dostęp do możliwości kontroli kwantowej znacznie większych mas niż dotychczas, co pozwala na rozwój wykrywania inercyjnego”. Już twórcy teorii kwantowej byli świadomi tych możliwości – wystarczy przypomnieć sobie kota Schrödingera. Wykazanie efektów kwantowych dla dużych, a nawet masywnych obiektów pozostaje Świętym Graalem dla naukowców, a opracowanie platformy zapewniającej taką możliwość byłoby prawdziwym przełomem.
Nadprzewodnikowa kula
Aby to osiągnąć, zespół wykorzystuje niewielkie, nadprzewodnikowe obiekty w roli niezwykle czułych sond do pomiaru sił i przyspieszeń. Jak wskazuje Aspelmeyer, najważniejsza innowacja opiera się na połączeniu zróżnicowanych pomysłów i technologii w ramach projektu, w tym nanomechaniki, fizyki atomowej oraz komputerów kwantowych, w celu kontroli właściwości kwantowych ruchu obiektów na platformie w skali układowej. „Nasze prace zaczynamy od nadprzewodnikowej kuli o średnicy kilku setnych części milimetra”, wyjaśnia Michael Trupke, starszy badacz zaangażowany w ten projekt. „Następnie mocujemy tę kulę do niewielkiego mechanicznego ramienia lub unosimy ją przy pomocy pól magnetycznych generowanych przez nadprzewodzące cewki. Nasza kula znajduje się w pobliżu innej cewki, która jest podłączona do tak zwanego układu nadprzewodnikowego, który stanowi zewnętrzny układ kwantowy. Dzięki temu ruch kuli jest sprzężony z układem, co oznacza, że oba te obiekty mogą wzajemnie wpływać na swój stan”. Dzięki takiemu rozwiązaniu zespół może wykorzystywać oddziaływania z układem kwantowym do sterowania ruchem kuli w reżimie kwantowym. Celem naukowców jest między innymi schłodzenie układu do poziomu, w którym występujące w nim ruchy zostaną ograniczone wyłącznie do fluktuacji kwantowych. „Jednocześnie jesteśmy w stanie wykorzystywać nasz układ kwantowy do odczytu ruchu kuli nadprzewodnikowej. Każde dodatkowe przemieszczenie, na przykład spowodowane ruchem całego urządzenia lub zewnętrzną siłą może być dzięki temu wykryte z niespotykaną dotąd czułością. Co więcej, całe urządzenie zostało zintegrowane w ramach architektury układu o łącznej powierzchni zaledwie kilku centymetrów kwadratowych”, dodaje Trupke.
Kolejny krok: reżim wykrywania kwantowego
Do zakończenia projektu pozostaje jeszcze kilka miesięcy, jednak już na obecnym etapie naukowcy dysponują szeregiem prototypów platformy. Wśród osiągnięć zespołu można wymienić między innymi lewitację mikroskopijnego nadprzewodnika przy minimalnym tłumieniu, co jest kluczowym warunkiem umożliwiającym działanie czujników inercyjnych. Opracowane rozwiązanie przyczyni się do bezprecedensowego zwiększenia możliwości wykrywania kwantowego i otworzy drogę do wykorzystania reżimu dużych mas. „Kolejnym ważnym kamieniem milowym jest wykorzystanie sprzężenia z nadprzewodnikowymi układami kwantowymi, które wykazaliśmy w ramach projektu, aby zrealizować w praktyce założenia reżimu wykrywania kwantowego. To właśnie na tym skupiają się obecnie prace całego zespołu”, mówi Aspelmeyer. Zarówno Aspelmeyer, jak i Trupke przewidują, że w dłuższej perspektywie osiągnięcia projektu znajdą zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w branży lotniczej i kosmicznej, których wymagań w zakresie czujników inercyjnych nie są w stanie zaspokoić rozwiązania wykorzystujące istniejące technologie. Naukowcy mają także nadzieję, że platforma MaQSens umożliwi prowadzenie badań nad fizyką makroskopowych zjawisk kwantowych, w tym między innymi efektów kwantowych zachodzących pod wpływem grawitacji.
Słowa kluczowe
MaQSens, czujnik kwantowy, wykrywanie, platforma technologiczna, czujnik inercyjny, nanomechanika, reżim dużych mas
