В каких отраслях могут устроить революцию квантовые сенсоры?

РБКHi-Tech

Шестое чувство. В каких отраслях могут устроить революцию квантовые сенсоры?

Квантовые сенсоры нового поколения — это пока еще в основном лабораторные разработки. Однако в перспективе они будут применяться во множестве отраслей и вырастут в многомиллионную индустрию

Текст Анастасия Дергачева

У «холодных» атомов есть не только коммерческий потенциал: они также пригодятся в сенсорах, которые используют экологи и астронавты

Квантовые сенсоры нового поколения — отдельное направление рынка квантовых технологий. Такие сенсоры обладают уникальным сочетанием свойств: они имеют микроскопический размер при сверхвысокой чувствительности. Их разработка и внедрение ведутся лишь последние несколько лет, а принципы работы основаны на таких явлениях квантовой механики, как суперпозиция, квантовая запутанность и квантовое измерение.

«Все виды сенсоров высокого технического уровня являются квантовыми», — рассказывает в интервью журналу РБК профессор Университета Саутгемптона Тим Фригард. Сенсоры есть в любом смартфоне: камера, акселерометр, магнитометр, датчик освещенности, датчик приближения, сканер отпечатков пальцев и другие. Однако разработки последнего времени отличаются от нынешних массовых решений — они были сделаны уже во время так называемой второй квантовой революции.

Разнообразные сенсоры нового поколения могут дать мощный импульс развитию сразу нескольких индустрий — нефтегазовой отрасли, транспорту, строительству и т.д. По оценке консалтингового агентства Persistence Market Research, к 2025 году мировой рынок квантовых сенсоров вырастет до $329,4 млн. Однако сегодня большинство продуктов второй квантовой революции еще не покинули стен лабораторий и пока находятся «в процессе преобразования в демонстрационные прототипы», замечает профессор Фригард.

Журнал РБК изучил самые перспективные варианты применения новых квантовых сенсоров.

МРТ молекулы

Медицина ждет внедрения «сенсоров будущего» как ни одна другая сфера. Если сегодня доктора исследуют организм на уровне органов, то квантовая революция позволит заглянуть буквально в каждую клетку тела.

В 2017 году группа исследователей из Университета Штутгарта и Института исследований твердых тел Общества Макса Планка разработала первый квантовый сенсор, способный, по словам руководителя группы профессора Йорга Врактрупа, «разложить молекулу практически на отдельные атомы».

Сенсор умеет «сканировать» белки и потенциально должен уметь обнаружить пораженные белки на самой ранней стадии одного из самых опасных в мире заболеваний — болезни Крейтцфельдта — Якоба. Это заболевание, также называемое «коровьим бешенством», разрушает головной мозг, при этом магнитно-резонансная томография (МРТ) не позволяет диагностировать его с необходимой точностью.

В отдаленном будущем умение проникать в отдельную клетку также может помочь в создании искусственного мозга, не уступающего по интеллекту человеческому.

Космический гравиметр

Квантовый гравиметр — разработка Университета Бирмингема. Этот сенсор поможет в поисках новых месторождений нефти и других полезных ископаемых. Оснащенные им устройства также научатся обнаруживать пустоты и провалы под землей, создающие угрозу для работы в шахтах, описывали потенциал изобретения аналитики Persistence Market Research. Строительство — еще одно вероятное поле «деятельности» сенсора: инженеры смогут более точно проектировать и размещать подземные коммуникации.

Технология гравиметра основана на «холодных» атомах: охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, атомы становятся сверхчувствительными к минимальным изменениям силы тяжести и фиксируют эти изменения для измерителя.

«Холодные» атомы планируется использовать не только в бизнесе: с их помощью также можно мониторить массу мировых льдов, океанских течений и уровень моря. А британская компания Teledyne e2v совместно с Clyde Space и Университетом Бирмингема готовит проект по производству «холодных» атомов в космосе, на борту специального спутника. Миссия получила название CASPA (Cold Atom Space Payload — «Полезная нагрузка на холодный атом»).

Собственные разработки гравитационных сенсоров есть и у Министерства обороны Великобритании. Ведомственная лаборатория разрабатывает устройства для отслеживания изменений физических свойств объектов «сквозь стены». Технология, надеются исследователи, приведет к научным прорывам в области навигации и станет альтернативой спутникам GPS, уязвимым для хакерских атак.

«Квантовая пленка»

В ноябре 2017 года Apple приобрела стартап InVisage, разработавший «квантовую пленку» — матрицу на основе квантовых точек. Сенсор имеет расширенный динамический диапазон и высокую светочувствительность. Ранее стартап привлек $98 млн от InterWest Partners, Nokia Growth Partners и других инвесторов.

Современные цифровые матрицы в фотоаппаратах и смартфонах делают на основе кремниевых чипов. По сравнению с аналоговой пленкой у них меньший диапазон, то есть камера может передать меньше тонов между светом и тенью. При контрастном освещении яркость объектов может не «уместиться» в динамический диапазон матрицы — например, на фотографиях «проваливается» небо.

В сенсоре Quantum Film свет сначала проходит через матрицу цветных фильтров, а затем попадает на слой с квантовыми точками — они нанесены на него подобно краске. Особое расположение элементов сенсора увеличивает способность воспринимать свет, что обеспечивает больший динамический диапазон и лучшее качество изображения в условиях низкой освещенности.

Всего у InVisage 27 патентов, но воспользуется ли Apple «квантовой пленкой», пока неизвестно. «Apple время от времени покупает небольшие компании, но мы не обсуждаем наши цели», — прокомментировал представитель компании поглощение InVisage порталу TechCrunch.

Квантовые часы как универсальный сенсор

Квантовые часы — разновидность атомных часов и самый необычный сенсор: они ничего не «чувствуют» непосредственно, только определяют время и при этом могут быть использованы для измерения других величин, например гравитации. «Тикают» в них атомы. Стандартом измерения времени считается атом цезия-133, в последних квантовых часах используются атомы стронция, охлажденные при помощи лазера, а также «квантовый» газ.

Пример использования устройства — атомные часы Национального института стандартов и технологий США, в 37 раз более точные, чем международный стандарт времени. Часы не отстанут и не ускорятся ни на секунду в течение более 15 млрд лет.

Изменение «скорости тикания» атомов происходит под действием силы тяжести, магнитного и электрического полей и других явлений. Чем меньше чувствительность, тем точнее часы. При этом часы разных видов чувствительны к разным явлениям. Большая чувствительность позволяет относить их к сенсорам.

В будущем квантовые часы могут прийти на смену часам, которые используются в системах GPS и ГЛОНАСС. По прогнозу Persistence Market Research, всплеск спроса на технологию случится, как только она будет доведена до массового рынка. Квантовые часы пригодятся на рынках, которые, как ожидается, резко увеличат объем в ближайшие годы: интернет вещей, беспилотные автомобили и другие автономно управляемые устройства с необходимостью точных замеров времени.

Фото: NASA / JPL-Caltech

O'qishni davom ettirish uchun tizimga kiring. Bu tez va bepul.

Roʻyxatdan oʻtish orqali men foydalanish shartlari 

Tavsiya etilgan maqolalar

Почему онлайн-торговля биодобавками требует особого контроля Почему онлайн-торговля биодобавками требует особого контроля

В чем особенности регулирования рынка БАДов

РБК
На аллеях Аполлона На аллеях Аполлона

Остафьево: образ места, где всё буквально дышит поэзией

Знание – сила
Слово редактора Слово редактора

На самом деле, нет более открытых миру людей, чем яхтсмены

Y Magazine
Любовь к животным и санкции Любовь к животным и санкции

Почему рынок кормов — перспективное направление для инвестиций

Агроинвестор
Палеонтологи СПбГУ проследили эволюцию мозга крокодилов Палеонтологи СПбГУ проследили эволюцию мозга крокодилов

Ученые создали 3D-модель мозга древних параллигаторов

Знание – сила
Коварный удар из-под земли Коварный удар из-под земли

«Холодная война» стала стимулом для неумеренных планов создателей оружия

Наука и техника
Художники Художники

Рассказ Александра Маркова «Художники»

Знание – сила
Поговорим о космологии Поговорим о космологии

Пять работ, посвященных космологии, с комментариями специалиста

Знание – сила
Легендарный Понтий Пилат Легендарный Понтий Пилат

Так кто же он был, этот римлянин, взявшийся судить Иисуса?

Знание – сила
Бизнес на энтузиазме Бизнес на энтузиазме

Перспективы мясного скотоводства в России неоднозначные

Агроинвестор
У эволюции нет конкретной цели, но есть результат У эволюции нет конкретной цели, но есть результат

Как происходит видообразование, с чего начинается и через какие этапы проходит

Наука и жизнь
Болотные семафоры Болотные семафоры

Дупеля летят к нам из жарких поясов экваториальной Африки...

Наука и жизнь
Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты» Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты»

О том, как обнаруживаются экзопланеты и какими они бывают

Наука и техника
Делянка лирохвоста Делянка лирохвоста

Большая птица-лира живет во влажных лесах восточной Австралии и Тасмании

Знание – сила
«Мои счастливейшие дни…» «Мои счастливейшие дни…»

Понятие гения места, «genius loci» – к Остафьево применимо как нельзя более

Знание – сила
«Позеленение» Арктики: как его оценить и о чём оно свидетельствует «Позеленение» Арктики: как его оценить и о чём оно свидетельствует

Как арктические экосистемы приспосабливаются к изменениям климатических условий

Наука и жизнь
Динозавры за Полярным кругом Динозавры за Полярным кругом

Как жили динозавры и их соседи в условиях крайнего Севера или Юга

Наука и техника
Что «видели» астероиды? Что «видели» астероиды?

Чем астероиды интересны астрономам?

Наука и жизнь
Долгий путь от «учебки» к Победе Долгий путь от «учебки» к Победе

В минометной роте любили песни: о поэтах на фронте Отечественной войны

Знание – сила
Книга как искусство Книга как искусство

На протяжении долгих веков книга являлась главным хранителем информации

Знание – сила
На «зеленой» волне На «зеленой» волне

Какие экологические технологии внедряют отечественные аграрии

Агроинвестор
Тихая гавань русских литераторов Тихая гавань русских литераторов

Усадьбе Остафьево повезло, в ее облике с давних времен мало что менялось

Знание – сила
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Как в СССР подчинили фантастику пропаганде социалистических достижений

Наука и жизнь
Будет не жирно? Будет не жирно?

Какой вклад в борьбу с ожирением могут внести производители продуктов питания

Агроинвестор
Самое древнее чувство Самое древнее чувство

Как у животных представлено чувства обоняния и вкуса

Наука и жизнь
Перелет–2023 «Байкальская кругосветка» Перелет–2023 «Байкальская кругосветка»

«Байкальская кругосветка» – воздушное путешествие вокруг знаменитого озера

Наука и техника
Последняя загадка Пушкина Последняя загадка Пушкина

«Пушкин и Погорелое Городище» – тема, вынесенная на периферию пушкинистики

Знание – сила
Посвящено Беатриче Посвящено Беатриче

Он не смел поверить, что Биче исчезла навсегда. Его мир рухнул

Наука и жизнь
Он пережил и многое, и многих… Он пережил и многое, и многих…

Петр Вяземский, князь. О нем вспоминают обычно в связи с А. С. Пушкиным

Знание – сила
Наука и жизнь. Архив: 1941—1945 годы Наука и жизнь. Архив: 1941—1945 годы

О чем писали в журнале «Наука и жизнь» в годы Великой Отечественной войны?

Наука и жизнь
Открыть в приложении