Kvanttisensorit lähestyvät todellisia sovelluksia rakentamisessa ja arkeologiassa
Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) fyysikot ovat yhdessä puolustusalan urakoitsijan RTX:n kanssa luoneet uuden tyyppisen tutkan prototyypin, jossa heijastuneet radioaallot rekisteröi metallinen antenni, vaan pieni cesium-atomien pilvi lasipullossa. Tämä tekniikka kuuluu kvanttisensoreihin, eli laitteisiin, jotka käyttävät kvanttijärjestelmien ominaisuuksia mittauksiin. Kehitys on vielä kaukana kaupallisesta sovelluksesta, mutta se osoittaa jo potentiaalia pinnan alla olevien kohteiden kuvantamiseen – viestintäverkkojen etsimisestä ja porausreikien poraamisesta arkeologisiin kaivauksiin.
Kuten tavallinen tutka, laite lähettää radioaaltoja, jotka heijastuvat kohteista, ja tallentaa sitten palautuvan signaalin viiveen niiden sijainnin määrittämiseksi. Suurin ero on vastaanottimessa: antennin roolia hoitavat atomit, jotka on saatettu Ridbergin tilaan. Tätä varten laserit ”puhaltavat” cesium-atomit noin 10 000 kertaa niiden normaalin säteen kokoisiksi. Radiotaajuudet, jotka osuvat tällaisiin atomeihin, muuttavat elektronien jakautumista ytimen ympärillä. Lasersondaus rekisteröi nämä muutokset atomien säteilemän valon värinmuutoksena. Tällä menetelmällä voidaan rekisteröidä laaja taajuusalue ilman laitteiston uudelleenviritystä.
Testeissä kvanttitutka asennettiin suojattuun tilaan, jonka seinät, lattia ja katto oli varustettu radioaaltoja vaimentavilla piikkeillä. Ridbergin atomien pohjalta toimiva lähetin ja vastaanotin suunnattiin kuparilevyyn, teräsputkiin ja metallitankoon, jotka sijaitsivat enintään 5 metrin etäisyydellä. Laite pystyi määrittämään niiden sijainnin 4,7 cm:n tarkkuudella.
Kehittäjät huomauttavat, että tulevaisuudessa tutka voidaan tehdä huomattavasti kompaktimmaksi – itse lasikolvi atomien kanssa voi olla kooltaan vain noin senttimetrin. Fyysikko Matthew Simonsin (NIST) mukaan tämä mahdollistaa luopua tilaa vievistä metallisista vastaanottimista useissa erikoistuneissa sovelluksissa.
Tiimin tärkein saavutus on atomivastaanottimen integrointi muuhun järjestelmään aiempia kokeita kompaktimmassa ja vakaammassa kokoonpanossa. Vastaavia antureita testataan jo radiofrekvenssien mittaamiseen autojen siruissa ja maaperän kosteuden arviointiin.
Kvanttisensorien etuna on vakaus. Jokainen cesium-atomi on identtinen ja sillä on muuttumaton rakenne, joka määräytyy perustavien vakioiden perusteella. Tämä vähentää tarvetta usein tapahtuvaan kalibrointiin, toisin kuin tavallisissa tutka-antureissa. Lisäksi kvanttitutkissa käytetyt komponentit ovat samankaltaisia kuin kvanttitietokoneiden kehitystyössä: Ridbergin atomit ovat jo käytössä kubitteina, ja joitakin menetelmiä, kuten kvanttivirheiden korjaus, käytetään myös antureissa.
Vaikka uusi järjestelmä ei korvaa kaikkia tutkalaitteita, se voi täyttää markkinaraon, jossa kompakti koko ja kyky toimia eri taajuusalueilla ilman uudelleenkonfigurointia ovat tärkeitä. Tätä varten herkkyyttä heikkoille signaaleille on parannettava, erityisesti parantamalla kapselin peittoa.
