مقدمه
حسگری کوانتومی(quantum sensing) یکی از حوزه‌های مهم فیزیک کوانتومی است که با بهره‌گیری از ویژگی‌ها و پدیده‌های کوانتومی، امکان اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی را با حساسیت و دقت بالا فراهم می‌کند. در این فناوری، سامانه‌های کوانتومی و ویژگی‌هایی مانند برهم‌نهی، همدوسی و درهم‌تنیدگی می‌توانند در فرایند اندازه‌گیری یا آشکارسازی اطلاعات نقش داشته باشند. توسعه این حوزه، علاوه بر بهبود عملکرد برخی روش‌های اندازه‌گیری متداول، زمینه را برای بررسی پدیده‌هایی فراهم کرده است که آشکارسازی آنها با روش‌های کلاسیکی با محدودیت مواجه است.
برای درک بهتر اصول عملکرد حسگرهای کوانتومی، می‌توان آنها را بر اساس نحوه استفاده از منابع و ویژگی‌های کوانتومی به سه رویکرد اصلی تقسیم کرد: استفاده مستقیم از یک سامانه کوانتومی به‌عنوان عنصر حسگر، بهره‌گیری از روش‌های آشکارسازی تقویت‌شده کوانتومی و استفاده از درهم‌تنیدگی برای بهبود عملکرد اندازه‌گیری.
این رویکردها، مبنایی برای بررسی طیف گسترده‌ای از حسگرهای کوانتومی هستند که در حوزه‌هایی مانند اندازه‌گیری میدان‌های الکترومغناطیسی، حسگری اینرسی و گرانشی، اندازه‌گیری زمان و فرکانس، حسگری حرارتی و مکانیکی، شناسایی شیمیایی و زیستی، تصویربرداری و فاصله‌سنجی و همچنین جست‌وجوی ماده تاریک کاربرد دارند. در این متن، ابتدا چارچوب مفهومی و دسته‌بندی حسگری کوانتومی معرفی می‌شود و سپس نمونه‌هایی از حسگرها، اصول عملکرد و کاربردهای آنها بررسی خواهند شد.
تعریف حسگری کوانتومی
حسگری کوانتومی به استفاده از سیستم‌های کوانتومی (quantum systems) ، خواص کوانتومی (quantum properties) و پدیده های کوانتومی )quantum (phenomena برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی گفته می‌شود.
به بیان دیگر، اگر در فرایند اندازه‌گیری یک کمیت فیزیکی، از یک سیستم کوانتومی، یا از یک ویژگی/پدیده کوانتومی به عنوان بخشی از فرایند "اندازه‌گیری " استفاده شود، این فرایند را می‌توان "حسگری کوانتومی / quantum sensing" نامید.
این فناوری می‌تواند از ویژگی‌های کوانتومی برای دستیابی به حساسیت و دقت بالا بهره ببرد و در برخی کاربردها امکان انجام اندازه‌گیری‌های غیرتهاجمی / non-invasive را روی مواد مختلف آلی فراهم می‌کند.
سه رویکرد اصلی در تعریف حسگری کوانتومی
نخستین نمونه‌های حسگرهای کوانتومی شامل مغناطیس‌سنج‌های SQUID (SQUID Magnetometers)، بخارهای اتمی (Atomic Vapors) و ساعت‌های اتمی (Atomic Clocks) بودند. با توسعه‌ی این حوزه، کاربرد حسگری کوانتومی به اندازه‌گیری کمیت‌های مختلفی مانند میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی، زمان، فرکانس امواج الکترومغناطیسی، چرخش مکانیکی (mechanical rotations)، دما و فشار گسترش پیدا کرد.
در ادامه، نسل جدیدی از حسگرها با عنوان حسگرهای کوانتومی نسل دوم (second generation sensors) توسعه یافتند که در آنها اندازه‌گیری می‌تواند در مقیاس اتم منفرد یا اسپین انجام شود. در این نسل، علاوه بر استفاده از ویژگی‌های کوانتومی، می‌توان از درهم‌تنیدگی کوانتومی نیز به‌عنوان یک منبع برای افزایش حساسیت و دقت اندازه‌گیری استفاده کرد.
بر اساس نوع استفاده از منابع و پدیده‌های کوانتومی، حسگرهای کوانتومی را می‌توان به سه گروه اصلی تقسیم کرد:
نوع اول: استفاده از سامانه‌ی کوانتومی به‌عنوان حسگر
در حسگرهای نوع اول ، یک سامانه کوانتومی (quantum object) به‌طور مستقیم برای اندازه‌گیری یک کمیت فیزیکی به کار گرفته می‌شود؛ به‌گونه‌ای که برهم‌کنش کمیت با سامانه، موجب تغییر در یک ویژگی قابل‌اندازه‌گیری از حالت کوانتومی آن می‌شود.
در این نوع حسگر، خودِ سامانه‌ی کوانتومی نقش عنصر حسگر را ایفا می‌کند. کمیت فیزیکی مورد نظر، مانند میدان مغناطیسی، دما یا شتاب، می‌تواند بر ویژگی‌هایی مانند ترازهای انرژی، فاز کوانتومی (quantum phase) یا حالت اسپینی (spin states) اثر بگذارد. با اندازه‌گیری این تغییرات، می‌توان مقدار کمیت مورد نظر را تخمین زد.
برای مثال، در یک مغناطیس‌سنج اتمی (Atomic Magnetometer)، میدان مغناطیسی خارجی بر حالت کوانتومی اتم‌ها اثر می‌گذارد و با اندازه‌گیری پاسخ اتمی می‌توان میدان مغناطیسی را تعیین کرد. در این نوع حسگر، استفاده از یک سامانه‌ی کوانتومی برای انجام اندازه‌گیری ضروری است، اما وجود درهم‌تنیدگی کوانتومی الزامی نیست.
ماهیت کیوبیتی (qubit nature) | نوع حسگر |
|---|---|
اسپین‌های جریان | نقاط کوانتومی (quantum dots) |
ابرجریان (supercurrent) | SQUIDs |
حالت‌های ویژه‌بار (Charge eigenstates) | ترانزیستور تک‌الکترونی (Single electron transistor) |
فونون‌ها (phonons) | اپتومکانیک (optomechanics) |
جدول 1: نمونه‌هایی از حسگرهای کوانتومی مورد استفاده در حسگرهای نوع یک.
حسگرهای نوع دوم
در حسگرهای نوع دوم، حالت ورودی سیستم لزوماً یک حالت کوانتومی غیرکلاسیکی نیست، اما در مرحله‌ی دریافت و آشکارسازی از یک روش آشکارسازی تقویت‌شده‌ی کوانتومی (quantum enhanced detection technique) برای استخراج اطلاعات مربوط به کمیتی که می‌خواهیم اندازه‌گیری کنیم، استفاده می‌شود. در این حسگرها، نقش اصلی ویژگی‌های کوانتومی در مرحله‌ی آشکارسازی (detection) ظاهر می‌شود، نه الزاماً در تولید سیگنال یا خود کمیت. به عبارت دیگر، حتی اگر حالت ورودی یک حالت کلاسیکی (Classical State) باشد، می‌توان از ویژگی‌هایی مانند همدوسی کوانتومی (Quantum Coherence) یا برهم‌نهی کوانتومی (Quantum Superposition) در گیرنده برای بهبود استخراج اطلاعات استفاده کرد.
بنابراین، تفاوت اصلی حسگر نوع 2 بانوع 1 در محل استفاده از منابع کوانتومی است. درنوع 1 ، سامانه‌ی کوانتومی خودِ عنصر حسگر است؛ در حالی که در نوع 2، ویژگی‌های کوانتومی عمدتاً برای بهبود فرایند آشکارسازی و استخراج اطلاعات به کار گرفته می‌شوند.
ماهیت کیوبیت | نوع سنسور |
|---|---|
اسپین اتمی | بخار اتمی |
اسپین اتمی | ابرهای اتمی سرد (Cold atom clouds) |
حالت‌های ریدبرگ (Rydberg states) | اتم‌های ریدبرگ (Rydberg atoms) |
حالت الکترونی (Electronic state) | یون‌های به دام افتاده (Trapped ions) |
مد ارتعاشی (Vibrational mode) | یون‌های به دام افتاده (Trapped ions) |
اسپین‌های هسته (Nuclear spins) | NMR |
اسپین الکترونی | انسامبل‌های مراکز NV/SiC (NV/SiC center ensembels) |
اسپین الکترونی | دهنده‌های فسفر در سیلیکون (P donor in Si) |
اسپین الکترونی | نقاط کوانتومی |
اسپین الکترونی | تک مرکز NV (Single NV center) |
ابرجریان | SQUIDs |
جریان چرخشی (Circulating current) | کیوبیت‌های شار (Flux qubits) |
حالت‌های ویژه بار | کیوبیت‌های بار (Charge qubits) |
فوتون‌ها، اتم‌ها | تداخل‌سنج (interferometer) |
جدول 2: نمونه‌هایی ازحسگرهای کوانتومی مورد استفاده در حسگرهای نوع دو.
نوع سوم: استفاده از درهم‌تنیدگی برای افزایش عملکرد اندازه‌گیری
در این نوع، درهم‌تنیدگی کوانتومی به‌عنوان یک منبع مستقیم برای افزایش حساسیت یا دقت اندازه‌گیری یک کمیت قرار می‌گیرد. در این نوع حسگر، چند سامانه‌ی کوانتومی در یک حالت مشترک و درهم‌تنیده قرار می‌گیرند. برهم‌کنش این کمیت با سامانه‌ی کوانتومی می‌تواند اطلاعاتی را در همبستگی‌های کوانتومی موجود در سیستم، ایجاد یا تغییر دهد. با اندازه‌گیری مناسب این حالت مشترک، می‌توان اطلاعات مربوط به کمیت مورد نظر را با عملکردی بهتر از برخی روش‌های متعارف استخراج کرد.
نکته‌ی مهم درنوع سوم این است که درهم‌تنیدگی صرفاً یک ویژگی موجود در سیستم نیست، بلکه به‌عنوان یک منبع برای بهبود عملکرد اندازه‌گیری مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین دلیل، این دسته ارتباط نزدیکی با مفاهیمی مانند مترولوژی کوانتومی (Quantum Metrology) و حسگری تقویت‌شده‌ی کوانتومی (Quantum-Enhanced Sensing) دارد.
ماهیت کیوبیت | نوع سنسور |
|---|---|
اسپین‌های اتمی | بخار اتمی |
اسپین‌های اتمی | ابرهای اتمی سرد |
حالت‌های ریدبرگ | اتم‌های ریدبرگ |
حالت الکترونی | یون‌های به دام افتاده |
فوتون‌ها، اتم‌ها | تداخل‌سنج |
جدول 3: نمونه‌هایی ازحسگرهای کوانتومی مورد استفاده در حسگرهای نوع سه.
نمونه‌هایی از حسگرهای کوانتومی
شکل زیر ، دسته‌بندی کلی حوزه‌های مختلف حسگری کوانتومی (Quantum Sensing) را بر اساس کمیت فیزیکی‌ای که می‌خواهیم اندازه‌گیری کنیم و کاربردهای مرتبط نشان می‌دهد. در هر یک از این حوزه‌ها، از ویژگی‌ها و منابع کوانتومی برای دستیابی به حساسیت و دقت بالا در اندازه‌گیری استفاده می‌شود.
شکل 1: دسته‌بندی کلی حوزه‌های مختلف حسگری کوانتومی (Quantum Sensing) بر اساس کمیت فیزیکی‌ای که می‌خواهیم اندازه‌گیری کنیم و کاربردهای مرتبط.
حسگری اینرسی و گرانشی
حسگری اینرسی و گرانشی کوانتومی به بهره‌گیری از ویژگی‌های کوانتومی سامانه‌هایی نظیر اتم‌های سرد، یون‌های به‌دام‌افتاده و تداخل‌سنج‌های اتمی برای اندازه‌گیری کمیت‌های اینرسی و گرانشی، از جمله شتاب، چرخش، گرانش و گرادیان میدان گرانشی، اشاره دارد.
گرانش‌سنج‌های کوانتومی، گرانش را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری می‌کنند. این حسگرها معمولاً بر پایه‌ی تداخل‌سنجی موج‌ماده‌ای اتم‌های سرد (Cold-Atom Matter-Wave Interferometry) ساخته می‌شوند و در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ از جمله در آشکارسازی زمین‌لرزه و پایش آتشفشان‌ها، حسگری اینرسی و سامانه‌های موقعیت‌یابی کوانتومی به‌منظور تکمیل یا جایگزینی GPS در هواپیماها، کشتی‌ها، زیردریایی‌ها و پهپادها، نقشه‌برداری از میدان گرانشی زمین، شناسایی حفره‌های زیرزمینی پیش از اجرای عملیات ساخت‌وساز، شناسایی منابع آب زیرزمینی، پایش تغییرات جرم یخ، اکتشاف نفت و مواد معدنی ــ البته با رویکردی محتاطانه ــ و همچنین جست‌وجوی امواج گرانشی و حتی ماده تاریک.
حسگرهای کوانتومی اینرسی با هدف جایگزینی یا تکمیل سامانه‌های GPS و همچنین جلوگیری از وابستگی به سیگنال‌های GPS در شرایطی که این سیگنال‌ها دچار اختلال یا پارازیت (Jamming) می‌شوند، توسعه یافته‌اند.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | سال اولین اجرای تجربی | موضوع |
|---|---|---|---|
Kasevich, M., & Chu, S. (1991). Atomic interferometry using stimulated Raman transitions. Physical review letters, 67(2), 181. | استفاده از تداخل‌سنجی اتمی برای اندازه‌گیری شتاب؛ پایه‌ی حسگرهای اینرسی کوانتومی | 1991 | Quantum inertial sensor |
Snadden, M. J., McGuirk, J. M., Bouyer, P., Haritos, K. G., & Kasevich, M. A. (1998). Measurement of the Earth's gravity gradient with an atom interferometer-based gravity gradiometer. Physical review letters, 81(5), 971. | اولین نمایش تجربی گرادیومتری گرانشی با تداخل‌سنج اتمی؛ اندازه‌گیری اختلاف شتاب گرانشی در دو نقطه | 1998 | Quantum gradiometry |
Gustavson, T. L., Bouyer, P., & Kasevich, M. A. (1997). Precision rotation measurements with an atom interferometer gyroscope. Physical review letters, 78(11), 2046. | اندازه‌گیری چرخش زمین با تداخل‌سنج اتمی بر اساس اثر Sagnac | 1997 | Quantum rotation sensing |
Kasevich, M., & Chu, S. (1991). Atomic interferometry using stimulated Raman transitions. Physical review letters, 67(2), 181. | اندازه‌گیری شتاب گرانش زمین با تداخل‌سنجی اتمی و اتم‌های سرد | 1991 | Quantum gravimeter |
Gustavson, T. L., Bouyer, P., & Kasevich, M. A. (1997). Precision rotation measurements with an atom interferometer gyroscope. Physical review letters, 78(11), 2046. | ساخت ژیروسکوپ اتمی و اندازه‌گیری نرخ چرخش زمین | 1997 | Quantum gyroscope |
Kasevich, M., & Chu, S. (1991). Atomic interferometry using stimulated Raman transitions. Physical review letters, 67(2), 181. | اندازه‌گیری شتاب با تداخل‌سنج اتمی؛ یکی از نخستین نمایش‌های quantum accelerometry | 1991 | Quantum accelerometer |
جدول 4: اطلاعات حسگرهای کوانتومی اینرسی و گرانشی.
حسگری حرارتی و مکانیکی کوانتومی
حسگری حرارتی و مکانیکی کوانتومی به استفاده از درجات آزادی کوانتومی برای اندازه‌گیری کمیت‌هایی مانند دما، فشار، نیرو و جابه‌جایی اشاره دارد. در این سامانه‌ها، تغییرات کمیت فیزیکی مورد نظر موجب تغییر در ویژگی‌های کوانتومی قابل آشکارسازی، مانند ترازهای انرژی، فرکانس گذار، حالت اسپینی یا حرکت یک نوسانگر کوانتومی می‌شود.
دماسنجی کوانتومی در اندازه‌گیری دماهای بسیار پایین، از جمله در کرایواستات‌ها (Cryostats) و آزمایش‌های فیزیک بنیادی، کاربرد دارد. در سال 2017، مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) یک دماسنج فوتونیکی کوانتومی (Quantum Photonics Thermometer) با ابعاد بسیار کوچک توسعه داد که امکان اندازه‌گیری نوری دمای سطح فلزات را فراهم می‌کرد. البته تصویر این حسگر، تجهیزات الکترونیکی کنترلی مرتبط با آن را نشان نمی‌دهد.
روش‌های دیگری نیز بر پایه‌ی سامانه‌های اپتومکانیکی توسعه یافته‌اند که در آنها یک میدان نوری با یک رزوناتور مکانیکی (Mechanical Resonator) کوپل می‌شود و تغییرات کوانتومی سامانه برای استخراج دما مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، کیوبیت‌های ابررسانا (Superconducting Qubits) نیز به‌عنوان بستر دیگری برای توسعه دماسنج‌های کوانتومی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.
حسگر کوانتومی فشار،روشی برای اندازه‌گیری فشار با استفاده از پاسخ کوانتومی یک سامانه به برخوردها و برهم‌کنش‌های اتمی است. یکی از روش‌های مهم در این حوزه، استفاده از اتم‌های سرد و اندازه‌گیری اثر برخورد اتم‌های حسگر با ذرات گاز محیط است؛ به‌گونه‌ای که نرخ برخورد و پراکندگی اتم‌ها به فشار گاز وابسته می‌شود.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | اولین اجرای تجربی / سال | موضوع |
Kucsko, G., Maurer, P. C., Yao, N. Y., Kubo, M. I. C. H. A. E. L., Noh, H. J., Lo, P. K., ... & Lukin, M. D. (2013). Nanometre-scale thermometry in a living cell. Nature, 500(7460), 54-58. | دماسنجی نانومقیاس با NV center،حتی در سلول زنده | 2013 | Quantum thermometer |
Shen, P., Madison, K. W., & Booth, J. L. (2020). Realization of a universal quantum pressure standard. Metrologia, 57(2), 025015. | اجرای تجربی استاندارد فشار کوانتومی مبتنی بر پراش اتمی؛ انتشار نسخه نهایی در 2020 | 2019 / 2020 | Quantum pressure sensor |
جدول 5.
حسگری زمان و فرکانس
حسگری کوانتومی زمان و فرکانس، بر اندازه‌گیری بسیار دقیق زمان و فرکانس با استفاده از گذارهای کوانتومی پایدار در سامانه‌هایی مانند اتم‌ها و یون‌ها استوار است. از آنجا که فرکانس گذارهای کوانتومی به ویژگی‌های بنیادی و ساختار انرژی سامانه وابسته است، می‌توان از آن به‌عنوان مرجع بسیار پایدار برای تعریف و اندازه‌گیری زمان و فرکانس استفاده کرد. ساعت‌های اتمی نمونه اصلی این دسته هستند که با قفل‌کردن یک نوسان‌ساز کلاسیکی به یک گذار اتمی، نوسانات فرکانسی را به‌شدت کاهش می‌دهند. این فناوری علاوه بر ایجاد استانداردهای دقیق زمان، مبنای بسیاری از کاربردهای مترولوژیکی و فناوری‌های وابسته به زمان دقیق، از جمله ناوبری، مخابرات و آزمون‌های فیزیک بنیادی، محسوب می‌شود.
ساعت‌های اتمی مورد استفاده در سامانه GPS، در ایجاد تاب‌آوری برای سامانه‌های ناوبری، به‌ویژه در شرایطی که سیگنال‌های معمول ماهواره‌ای GPS در دسترس نباشند، نقش مهمی دارند. این ساعت‌ها همچنین در زیرساخت‌های مخابراتی مرتبط با اینترنت و ارتباطات سیار، به‌ویژه در شبکه‌های پهن‌باند پرسرعت ثابت و سیار، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | اولین اجرای تجربی / | موضوع |
نخستین ساعت اتمی عملی با آمونیاک | 1949 | Quantum clock |
جدول 6.
حسگری الکترومغناطیسی
حسگری الکترومغناطیسی کوانتومی شامل اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی و همچنین سیگنال‌های فرکانس رادیویی و مایکروویو با استفاده از پاسخ کوانتومی سامانه‌های حسگر است. در این رویکرد، میدان خارجی با درجات آزادی کوانتومی، مانند اسپین اتمی، اسپین الکترونی یا ترازهای اتمی ریدبرگ، برهم‌کنش کرده و موجب تغییر در فرکانس گذار، انرژی، فاز یا جمعیت حالت‌های کوانتومی می‌شود. آشکارسازی این تغییرات امکان تبدیل میدان خارجی به یک کمیت قابل اندازه‌گیری را فراهم می‌کند.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | اولین اجرای تجربی / سال | موضوع |
Sedlacek, J. A., Schwettmann, A., Kübler, H., Löw, R., Pfau, T., & Shaffer, J. P. (2012). Microwave electrometry with Rydberg atoms in a vapour cell using bright atomic resonances. Nature physics, 8(11), 819-824. | نخستین نمایش تجربی شاخص مغناطیس‌سنج اتمی با optical pumping | 1957 | Quantum magnetometer |
اندازه‌گیری میدان الکتریکی مایکروویو با اتم‌های Rydberg | 2012 | Quantum electric-field measurement | |
حسگری میدان RF/microwave با استفاده از گذارهای اتمی Rydberg | 2012 | Quantum RF sensing |
جدول 7:
حسگری شیمیایی و زیستی
حسگری شیمیایی و زیستی کوانتومی به استفاده از سامانه‌ها و پدیده‌های کوانتومی برای شناسایی، اندازه‌گیری یا تصویربرداری از ویژگی‌های شیمیایی و زیستی در مقیاس‌های بسیار کوچک اشاره دارد. در این رویکرد، برهم‌کنش میان سامانه کوانتومی و محیط می‌تواند اطلاعاتی درباره ساختار مولکولی، ترکیب شیمیایی، غلظت گونه‌ها یا فرایندهای زیستی ایجاد کند. برای نمونه، مراکز NV در الماس می‌توانند به‌عنوان حسگرهای مغناطیسی نانومقیاس برای آشکارسازی سیگنال‌های اسپینی هسته‌های مولکول‌های پیرامون به کار روند و بدین ترتیب امکان انجام NMR در حجم‌های بسیار کوچک را فراهم کنند.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | اولین اجرای تجربی / سال | موضوع |
Staudacher et al., Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5 nanometer)³ sample volume — Science 2013 | تشخیص NMR در مقیاس نانومتری با NV center؛پایه‌ای برای nanoscale quantum chemical sensing | 2013 | Quantum chemical sensor |
جدول 8.
حسگری ماده تاریک
حسگری ماده تاریک کوانتومی به استفاده از حسگرهای کوانتومی با حساسیت بسیار بالا برای جست‌وجوی اثرات بسیار ضعیف ناشی از برهم‌کنش احتمالی ماده تاریک با ماده معمولی یا تغییرات ناشی از میدان‌های وابسته به ماده تاریک اشاره دارد. از آنجا که سیگنال مورد انتظار در بسیاری از مدل‌های ماده تاریک بسیار کوچک است، سامانه‌هایی مانند ساعت‌های اتمی، مغناطیس‌سنج‌های کوانتومی، تداخل‌سنج‌های اتمی و سایر حسگرهای دقیق می‌توانند برای آشکارسازی تغییرات بسیار جزئی در فرکانس گذار، فاز، میدان یا سایر کمیت‌های قابل اندازه‌گیری مورد استفاده قرار گیرند. در این رویکرد، به‌جای مشاهده مستقیم ذرات ماده تاریک، اثر غیرمستقیم آنها بر یک سامانه کوانتومی به‌عنوان امضای احتمالی سیگنال مورد بررسی قرار می‌گیرد و استفاده از شبکه‌ای از حسگرهای کوانتومی می‌تواند امکان تفکیک سیگنال واقعی از نویزهای محلی و پدیده‌های محیطی را افزایش دهد.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | اولین اجرای تجربی / سال | موضوع |
Wcisło et al., First observation of a global network of optical atomic clocks for dark matter detection — Nature Astronomy / NIST | استفاده از شبکه جهانی ساعت‌های اتمی کوانتومی برای جست‌وجوی سیگنال ماده تاریک | 2019 | Dark Matter Sensing |
جدول 9.
تصویربرداری و فاصله‌سنجی
بهره‌گیری از ویژگی‌هایی مانند همبستگی‌های کوانتومی، درهم‌تنیدگی و پاسخ بسیار حساس سامانه‌های کوانتومی، امکان استخراج اطلاعاتی را فراهم می‌کند که در شرایط مشابه ممکن است با روش‌های تصویربرداری کلاسیک با محدودیت مواجه باشند. در این سامانه‌ها، اطلاعات مربوط به موقعیت، فاصله یا ساختار هدف می‌تواند از زمان پرواز فوتون‌ها، همبستگی بین فوتون‌ها یا تغییرات ایجادشده در حالت کوانتومی نور استخراج شود. رادار کوانتومی، لیدار کوانتومی، سونار کوانتومی و تصویربرداری کوانتومی در این دسته قرار می‌گیرند و هدف مشترک آنها بهره‌گیری از منابع کوانتومی برای بهبود قابلیت آشکارسازی، تفکیک‌پذیری یا عملکرد اندازه‌گیری در شرایطی است که روش‌های کلاسیکی با محدودیت‌هایی ناشی از نویز و پس‌زمینه مواجه هستند.
مقاله / منبع | اولین دستاورد اجرایی | اولین اجرای تجربی / سال | موضوع |
Luong, D., Chang, C. W., Vadiraj, A. M., Damini, A., Wilson, C. M., & Balaji, B. (2019). Receiver operating characteristics for a prototype quantum two-mode squeezing radar. arXiv preprint arXiv:1903.00101. | نمایش prototype رادار مایکروویوی کوانتومی مبتنی بر two-mode squeezing | 2019 | Quantum radar |
نخستین اجرای تجربی Quantum Illumination برای تشخیص هدف؛ LiDAR عمق‌سنج/تصویربرداری کامل بعدها توسعه یافت. | 2013 | Quantum LiDAR | |
تصویربرداری دو-فوتونی مبتنی بر همبستگی کوانتومی؛ از نخستین نمایش‌های تجربی Quantum/Ghost Imaging | 1995 | Quantum imaging |
جدول 10.
جمع بندی
حسگری کوانتومی چارچوبی گسترده برای بهره‌گیری از اصول مکانیک کوانتومی در اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی فراهم می‌کند. بررسی سه رویکرد اصلی این حوزه نشان می‌دهد که نقش ویژگی‌های کوانتومی در فرایند اندازه‌گیری می‌تواند متفاوت باشد: در برخی سامانه‌ها، خود سیستم کوانتومی نقش عنصر حسگر را ایفا می‌کند؛ در برخی دیگر، ویژگی‌های کوانتومی برای بهبود آشکارسازی و استخراج اطلاعات به کار می‌روند؛ و در رویکرد سوم، درهم‌تنیدگی به‌عنوان منبعی برای افزایش حساسیت یا دقت اندازه‌گیری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همچنین، تنوع حسگرهای کوانتومی نشان می‌دهد که این فناوری به یک کمیت فیزیکی یا کاربرد خاص محدود نیست، بلکه از اندازه‌گیری زمان، فرکانس، دما، فشار و میدان‌های الکترومغناطیسی تا آشکارسازی تغییرات گرانشی، تصویربرداری، فاصله‌سنجی و بررسی اثرات احتمالی ماده تاریک را در بر می‌گیرد. با وجود این ظرفیت‌ها، عملکرد واقعی هر حسگر به عواملی مانند نوع سامانه کوانتومی، سازوکار برهم‌کنش با کمیت مورد اندازه‌گیری، روش آشکارسازی و محدودیت‌های ناشی از نویز و شرایط محیطی وابسته است.
بنابراین، ارزیابی قابلیت‌های حسگرهای کوانتومی مستلزم توجه هم‌زمان به اصول فیزیکی، روش اندازه‌گیری و محدودیت‌های اجرایی آن‌هاست. در نهایت، شناخت این اصول و دسته‌بندی‌ها، زمینه‌ای برای مقایسه روش‌های مختلف حسگری و بررسی ظرفیت آنها برای توسعه نسل جدیدی از ابزارهای اندازه‌گیری دقیق فراهم می‌کند.