Квантовые сенсоры: как работают самые точные датчики в мире

Как работают квантовые сенсоры

Квантовые компьютеры — одно из самых известных направлений развития квантовых технологий. Однако есть и другое, не менее важное — квантовые сенсоры. Эти устройства способны улавливать мельчайшие изменения, которые классические датчики не замечают из-за шума. Например, некоторые квантовые сенсоры могут обнаружить даже один фотон.

Принцип их работы основан на использовании отдельных частиц — атомов, электронов или фотонов — в качестве высокочувствительных зондов. Благодаря квантовым эффектам такие устройства позволяют проводить измерения с чрезвычайно высокой точностью.

Сегодня развивается целая отрасль измерительной техники, использующей квантовые эффекты. Например, в медицине такие сенсоры могут применяться в томографах, которые создают карту электромагнитного поля человека или отдельных частей тела. С их помощью можно следить за работой мозга в режиме реального времени.

Еще одно перспективное направление — создание камер, способных видеть сквозь туман, за углами или даже под землей. А квантовые детекторы газов, установленные на спутниках, смогут собирать данные об уровне углекислого газа и метана в атмосфере.

Как квантовые технологии помогают определять координаты

Один из важнейших типов квантовых сенсоров — сверхточные атомные часы. Они необходимы для определения координат смартфонами, автономным транспортом и другими устройствами.

Мы сталкиваемся с атомными часами каждый раз, когда пользуемся навигатором. Они установлены на борту спутников глобальных навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, и передают сигналы точного времени, которые получает смартфон. Зная расположение спутников и скорость света, с которой распространяется сигнал, устройство рассчитывает расстояние до нескольких спутников и по этим данным определяет свое местоположение.

Точность координат напрямую зависит от точности часов на борту спутников. Например, погрешность всего в сотую долю секунды может привести к ошибке в определении расстояния на 3 тыс. км.

Почему атомные часы настолько точные

Работа любых часов основана на подсчете повторяющихся событий с известной частотой. В механических часах таким событием могут быть колебания маятника, а в атомных — колебания электромагнитного излучения, соответствующего переходу между энергетическими уровнями атома цезия.

Благодаря этому атомные часы обеспечивают исключительную точность. Например, погрешность цезиевых атомных часов составляет всего одну секунду за 300 тыс. лет. Более того, само определение секунды связано с квантовыми процессами. Согласно международному стандарту, одна секунда соответствует 9 192 631 770 периодам излучения, связанного с переходом между двумя энергетическими состояниями атома цезия-133.

Таким образом, квантовые сенсоры уже играют важную роль в современных технологиях. Их дальнейшее развитие может открыть новые возможности для навигации, медицины, экологии и промышленности.

Реклама, ПАО Сбербанк, 18+, erid: 2SDnjbxduo2