Czujniki – systemy, które pomagają wykrywać pola elektryczne i magnetyczne, rotację i przyspieszenie, mierzyć czas i coraz dokładniej obrazować układy biologiczne – są dziś nieodłączną częścią kluczowych przedsięwzięć, takich jak służba zdrowia, bezpieczeństwo i monitorowanie środowiska, i są praktycznie niezbędne w codziennej dzień życia.

Narodowa Misja Kwantowa, zainicjowana przez Departament Nauki i Technologii rządu Indii, ma na celu katapultowanie wysiłków w całym kraju w celu inżynierii i wykorzystania delikatnych cech kwantowych fotonów i cząstek subatomowych do budowy zaawansowanych czujników, które zwiększają wartość dodaną tych przedsiębiorstw i wspierać zrównoważony rozwój.

Gabinet Unii zatwierdził misję w zeszłym tygodniu kosztem 6000 crore Rs. Będzie realizowany w latach 2023-2031.

Jak fizyka kwantowa może pomóc?

Klasyczne czujniki oparte są na znanych nam zasadach, dzięki czemu ich mechanizmy są dla nas intuicyjne. W diagnostyce medycznej czujniki te odgrywają kluczową rolę w wykrywaniu bardzo słabych sygnałów emitowanych przez jądra atomowe w tkankach i wykrywaniu chorób. Wyczuwają słabe pola magnetyczne generowane przez neurony i mapują aktywność mózgu, pomagając ekspertom wykrywać choroby neurologiczne na wczesnym etapie.

Są one również wykorzystywane w globalnym systemie pozycjonowania (GPS) do pomiaru niewielkich odchyleń w czasie i przestrzeni, co pozwala nam budować zaawansowane systemy transportowe i logistyczne na ziemi.

Kiedy przesuwamy granice tych klasycznych czujników, wykorzystując procesy zachodzące w skali subatomowej, nasze urządzenia osiągają poziom czułości, który pozwala nam opracowywać przełomowe aplikacje.

Rozważmy „stany ściśnięcia” światła. Pokonują granicę wykrywalności, która pojawia się, gdy używamy światła do wykrywania zjawisk fizycznych. Wynika to z zasady nieoznaczoności Heisenberga: nie możemy mierzyć intensywności i fazy fotonów (podstawowych cząstek światła) z taką samą dokładnością w tym samym czasie. Oznacza to, że istnieje naturalna granica dokładności pomiaru natężenia światła, gdy jest ono odbijane lub pochłaniane przez obiekty lub gdy zmienia się faza światła.

Mechanika kwantowa może pomóc nam pokonać tę barierę, pozwalając nam mierzyć tylko interesujące nas parametry z większą dokładnością („stany ściśnięte”) kosztem parametrów, które nie są interesujące.

Jak technologie mogą wykorzystać?

Warto zauważyć, że mechanika kwantowa działa w sposób sprzeczny z naszymi doświadczeniami w świecie makroskopowym. Dzieje się tak dlatego, że systemami działającymi w skali atomowej i subatomowej rządzą takie zjawiska, jak superpozycja kwantowa (jak dwie koliste fale sumujące się w wodzie po rzuceniu dwoma kamykami), splątanie kwantowe (cecha, która prowadzi do natychmiastowego poznania właściwości dwóch odległych cząstek ), dualizm falowo-cząsteczkowy (cząstki zachowują się jak fale i odwrotnie) oraz tunelowanie kwantowe (cząstki czasami znajdują drogę przez barierę).

Kiedy te możliwości – które nie istnieją w świecie makroskopowym – są wykorzystywane w technologiach, technologie te wydają się zdolne do czynienia cudownych rzeczy.

Na przykład mikroskop elektronowy wykorzystuje dualizm falowo-cząsteczkowy. Mikroskop optyczny wykorzystuje światło widzialne jako medium obrazowania. Mikroskop elektronowy wykorzystuje elektrony zamiast światła widzialnego. Długość fali elektronów (traktowanych jako fale) można zredukować do granicy, przy której mikroskop elektronowy może obrazować obiekty o wielkości nanometra – zadanie niemożliwe w przypadku światła widzialnego.

Wyniki mechaniki kwantowej nie ograniczają się do czujników. Sukcesywne stosowanie zasad mechaniki kwantowej doprowadziło naukowców do odkrycia urządzeń półprzewodnikowych, takich jak tranzystory i nadprzewodniki, oraz do zrozumienia sił między atomami w cząsteczkach. Doprowadziło to do boomu w technologii półprzewodników, czystej energii i rozwoju nowych leków.

W XXI wieku naukowcy na całym świecie byli w stanie kontrolować i wykorzystywać cechy mechaniki kwantowej do budowy urządzeń, które wkrótce zdefiniowają nowe paradygmaty w kilku sektorach, prowadząc do drugiej rewolucji kwantowej, czyli Quantum 2.0. Oczekuje się, że zaspokoi to potrzebę ludzkości w zakresie szybszego transportu, szybszej i bezpieczniejszej komunikacji, krótkich czasów realizacji w projektowaniu leków, zabezpieczania granic państwowych i eksploracji kosmosu.

Jak Quantum 2.0 pomoże Indiom?

Na froncie Quantum 2.0 w Indiach do tej pory prowadzone były odizolowane wysiłki na małą skalę, prowadzone przez różnych naukowców ze środowisk akademickich, laboratoriów rządowych i niektórych innych obiektów. Te rozproszone wysiłki doprowadziły do ​​ograniczonych możliwości w tej dziedzinie i ograniczonej możliwości przełożenia na użyteczne produkty.

National Quantum Mission ma na celu zwiększenie tych wysiłków poprzez skoordynowane wysiłki na rzecz konsolidacji istniejącego know-how i stworzenia ogólnokrajowego przedsięwzięcia w zakresie generowania wiedzy, tłumaczenia i rdzennej ludności.

Jeśli chodzi o wykrywanie kwantowe, misja skoncentruje się na badaniach i rozwoju technologii w celu zbudowania mnóstwa urządzeń i systemów, w tym:

• Czujniki magnetyczne, które mogą wykrywać pola magnetyczne milion razy słabsze niż pole magnetyczne Ziemi, wykorzystując wirtualne atomy uwięzione w diamentach, atomy schłodzone i uwięzione w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu, zbiory atomów w temperaturze pokojowej itp.

• Precyzyjne zegary, które stracą mniej niż jedną sekundę w ciągu ponad 300 miliardów lat, pozwolą nam opracować urządzenia nawigacyjne, które są ponad 1000 razy precyzyjne, aby pomóc w badaniu pochodzenia wszechświata – otwarte pytanie w astrofizyce

• Urządzenia nawigacyjne, które mogą działać autonomicznie, bez potrzeby korzystania z sygnałów GPS – ważna część autonomicznych systemów jazdy i nawigacji w przestrzeni kosmicznej

• Niedrogie czujniki, które mogą wykryć zmiany anatomiczne w ludzkim ciele przy minimalnej interwencji

Misja pomoże również osiągnąć te cele po przystępnej cenie i skalowalności dla szerokiego zakresu zastosowań.

Umakant Damodar Rapol jest profesorem na Wydziale Fizyki Indyjskiego Instytutu Edukacji i Badań Naukowych w Pune.