Kvantesensoren mærker livets puls

Overvågning af et fosters hjerteslag og andre sensitive medicinske undersøgelser er eksempler på potentialet i kvantesensorer. Da denne form for sensorer udnytter fænomener på atomart niveau, kan de være langt mere nøjagtige end de sensorer, vi kender i dag.

Forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, har overvundet en væsentlig hindring for udvikling af kvantesensorer. Deres resultater er offentliggjort i det internationalt førende videnskabelige tidsskrift Nature Communications.  

Alle biologiske processer omfatter variationer i magnetfelter og elektrisk ledningsevne i væv. Variationerne er ganske små, men en kvantesensor er i stand til at registrere dem. Imidlertid er det en stor udfordring at skelne mellem de signaler, man interesserer sig for, og forskellige former for støj. Det er dette problem, som NBI-forskergruppen har bidraget til at løse.

”Kvantesensorer er en af de første anvendelser af nanoteknologi. Vores resultater bringer kvantesensorer tættere på at blive realitet. Jeg forventer, at vi vil se de første anvendelser i løbet af et par år,” siger professor på NBI Eugene Polzik, som er førsteforfatter til den videnskabelige artikel.

Udover hjerteproblemer er der en række andre tilstande i kroppen, som er relevante at følge med kvantesensorer. Et eksempel er hjerneundersøgelser. Vel at mærke kan tilstandene følges uden nogen som helst indgreb eller anden belastning for patienten. 

At lytte til støjen fra kvanteverdenen

Atomer, elektroner og fotoners opførsel beskrives ved hjælp af kvantemekanik. Partiklerne har ikke kun givne fysiske egenskaber, de eksisterer samtidig i forskellige tilstande. Inden man kan anvende en kvantesensor, skal det lys, som benyttes til at måle signaler i for eksempel et menneskes krop, bringes i en bestemt kvantetilstand.

Lysets kvantetilstand bringes til at vekselvirke med et kvantesystem, der påvirkes af de kræfter eller magnetfelter i kroppen, som man ønsker at undersøge. Efter vekselvirkningen rummer lyset særdeles nøjagtig information om det undersøgte system.

”Det er afgørende, at det kvantesystem, som lyset skal vekselvirke med, er skræddersyet til netop den undersøgelse, man ønsker at udføre. Det er en af de største forhindringer for at udvikle kvantesensorer, især fordi det er svært at skærme målingen fuldstændigt for uønsket støj,” forklarer Eugene Polzik.

Selv efter at traditionelle støjkilder som elektronisk udstyr i rummet og lignende er fjernet, vil der stadig være kvantemekaniske effekter tilbage.

I modsætning til traditionel fysik vil kvantemekanikken angive en partikels kvantetilstand og andre egenskaber som en sandsynlighedsfunktion – eller usikkerhed om man vil.

En kilde til kvantestøj er den usikkerhed, som knytter sig til ankomsten af lyspartikler (fotoner) til detektoren. En anden kilde til usikkerhed er overførslen af impuls fra fotonen til sensoren.

I den videnskabelige artikel redegør forskerholdet for en metode, der tillader at ”høre” støjen fra kvanteverdenen. Derved kan denne støj fjernes fra beregningerne, så det egentlige signal, man interesserer sig for, står tilbage.

Fremtidig anvendelse inden for astrofysik

Kvantesensorer kan få anvendelser på mange andre områder ud over medicinske undersøgelser. Et eksempel er måling af kosmiske tyngdebølger. Oprindeligt var det Albert Einstein, som beskrev tyndebølger teoretisk.

I dag er det veldokumenteret, at de eksisterer. Imidlertid er signalet fra tyngdebølger svagt i forhold til andre kosmiske signaler. Derfor er der behov for at forbedre de metoder, som astrofysikerne har til måling af tyngdebølger.

Magnetiske kvantesensorer kan meget vel være svaret på udfordringen med at måle tyngdebølger. Derved kan denne type sensorer bidrage til en dybere forståelse af Universets oprindelse og udvikling.