Kvanttisensorit

Kvanttisensorit ovat sensorijärjestelmiä, jotka hyödyntävät kvanttijärjestelmien ominaisuuksia mittausten tarkkuuden ja herkkyyden parantamiseksi. Ne voivat ylittää perinteisten, klassisten sensorien suorituskykyä erityisesti signaalien pienuuden ja ympäristöhäiriöiden hallinnan suhteen. Kvanttisensorit voivat mitata magneettikenttiä, sähköisiä kenttiä, lämpötilaa, kiihtyvyyksiä, vääntöjä sekä painovoimaa ja aikaa.

Käytännössä kvanttihyödyntäminen tarkoittaa, että mittausrekisteröinti perustuu kvanttijaksamiseen kuten superpositioon, entanglementtiin tai squeezingiin. Esimerkiksi atomien tai ytimien spinnien evoluution seuraaminen mahdollistaa magnetometrisen herkkyyden tai gravimetrisen mittauksen erittäin pienillä signaaleilla. Sijoitettuna valintalaiteisiin nämä ilmiöt voidaan muuttaa käytännöllisiksi sensoreiksi.

Tyypillisiä kvanttisensoreita ovat atomiset interferometrit, kvanttipoikkeukselliset magneettimet (esim. NV-keskukset timanteissa), sekä SQUID-sensorit, jotka hyödyntävät suprakondektiivista ilmiötä. Atomiset interferometrit voivat mitata kiihtyvyyksiä ja rotaatioita sekä maapallon gravitaatiomuutoksia, kun taas NV-keskukset mahdollistavat nanoskaalaista magnetometriaa biologisissa ja materiaalianalyyseissä. Kvanttipohjaiset kellot ja optiset kvanttisensorit parantavat ajan määrittelyä ja fotonisten signaalien mittaamista.

Sovelluksia on laajasti: geodesia, navigointi ilman GPS:tä, teollinen materiaalitutkimus, lääketieteellinen kuvantaminen ja ympäristömonitoring. Haasteina ovat järjestelmien monimutkaisuus, vaatimus vakaasta ympäristöstä ja lämpötilanhallinnasta sekä rutiininomaisen käytön ja kustannusten sovittaminen käytännön sovelluksiin. Nykytilassa kvanttisensorit kehittyvät sekä laboratorio- että kenttäolosuhteissa, ja ne voivat tulevaisuudessa tarjota kompakteja, matalakustanteisia ratkaisuja muillakin aloilla.