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Nov 11, 2023

Un cuanto de detección: la escala atómica refuerza el nuevo auge de los sensores

Imagine sensores que puedan detectar los campos magnéticos de los pensamientos, ayuda lunar

Imagine sensores que puedan detectar los campos magnéticos de los pensamientos, ayudar a los rovers lunares a detectar el oxígeno en las rocas lunares o escuchar las ondas de radio de la materia oscura. Así como las computadoras cuánticas teóricamente pueden encontrar las respuestas a los problemas que ninguna computadora clásica podría resolver, también una generación emergente de sensores cuánticos puede conducir a nuevos niveles de sensibilidad, nuevos tipos de aplicaciones y nuevas oportunidades para avanzar en una variedad de campos y tecnologías. y actividades científicas.

La tecnología cuántica se basa en los efectos cuánticos que pueden surgir porque el universo puede convertirse en un lugar borroso en sus niveles más pequeños. Por ejemplo, el efecto cuántico conocido como superposición permite que los átomos y otros componentes básicos del cosmos existan esencialmente en dos o más lugares al mismo tiempo, mientras que otro efecto cuántico conocido como entrelazamiento puede vincular partículas para que puedan influirse entre sí instantáneamente, independientemente de su ubicación. lo lejos que están.

Estos efectos cuánticos son infamemente frágiles a la interferencia externa. Sin embargo, mientras que las computadoras cuánticas se esfuerzan por superar esta debilidad, los sensores cuánticos aprovechan esta vulnerabilidad para lograr una sensibilidad extraordinaria a las más mínimas perturbaciones en el entorno. A continuación se muestra solo una pequeña muestra de los muchos tipos y variedades de sensores cuánticos que se están desarrollando e implementando en la actualidad.

EXPLORACIONES CEREBRAL: Las corrientes eléctricas dentro del cerebro generan campos magnéticos que los sensores pueden analizar para escanear de forma no invasiva la actividad cerebral. Ahora, los sensores cuánticos permiten que un casco portátil realice este tipo de escaneos de magnetoencefalografía (MEG) con un rendimiento y un costo sin precedentes.

Actualmente, los escaneos MEG se realizan con sensores conocidos como dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID). Estos requieren enfriamiento con helio líquido costoso a -269 °C, lo que hace que los escáneres sean extremadamente grandes. En contraste, los nuevos dispositivos de la startup Cerca Magnetics en Nottingham, Inglaterra, son cada uno del tamaño de un ladrillo Lego.

Cada dispositivo, llamado magnetómetro de bombeo óptico (OPM), contiene un láser que hace brillar un haz a través de una nube de átomos de rubidio en un detector de luz. El haz puede alinear todos los campos magnéticos de los átomos de rubidio, lo que hace que la nube sea esencialmente transparente. Diminutos campos magnéticos, como los de la actividad cerebral, pueden alterar estos átomos, haciéndolos capaces de absorber luz, que el detector de luz puede detectar, y el láser restablece la nube para que pueda continuar respondiendo a las perturbaciones magnéticas.

El hecho de que estos sensores cuánticos funcionen a temperatura ambiente los hace mucho menos voluminosos que los SQUID. Esto significa que pueden colocarse mucho más cerca de la cabeza de una persona, lo que da como resultado una señal al menos dos veces mejor y teóricamente hasta cinco veces mejor, para imágenes magnéticas con precisión milimétrica y resolución de milisegundos de áreas superficiales del cerebro, dice Matthew Brookes, presidente de Cerca e investigador de la Universidad de Nottingham.

Los cascos portátiles MEG de Cerca Magnetics pueden ser usados ​​de manera segura incluso por un niño activo, dice la compañía.Cerca Magnetics

La naturaleza pequeña y liviana de los sensores también significa que pueden montarse en un casco portátil para permitir que las personas se muevan libremente durante el escaneo, en lugar de que permanezcan inmóviles durante períodos muy largos, como ocurre actualmente. Además, puede adaptarse a diferentes formas y tamaños de cabeza, lo que permite escanear no solo a adultos sino también a niños y bebés. Además, "MEG con OPM es, en principio, mucho más barato que con SQUID", dice Brookes. "Incluso ahora, en los primeros días con los OPM, un sistema de imágenes MEG completo todavía cuesta la mitad del precio de un sistema SQUID para un rendimiento similar".

El escáner Cerca puede ayudar a investigar trastornos neurológicos como la epilepsia, las conmociones cerebrales, la demencia y la esquizofrenia, "ayudando a arrojar luz sobre muchas afecciones graves y debilitantes", dice.

La investigación futura puede tener como objetivo llevar estos sensores más cerca de sus límites teóricos de sensibilidad, permitir una mayor libertad de movimiento para quizás permitir que las personas caminen, y agregar realidad virtual y aprendizaje automático para impulsar lo que los investigadores pueden hacer con los escáneres en los frentes experimental y analítico. Brookes dice.

MAPEO DE GRAVEDAD:Un nuevo sensor cuántico que mapea la fuerza del campo gravitatorio de la Tierra puede ayudar a revelar características ocultas bajo tierra.

Todo lo que tiene masa posee un campo gravitatorio. La fuerza de atracción de este campo depende de la masa del cuerpo. Dado que la masa de la Tierra no se distribuye uniformemente, esto significa que la gravedad del planeta es más fuerte en algunos lugares que en otros.

Durante décadas, el mapeo de gravedad ha revelado detalles sobre la actividad geológica a gran escala, pero emplear dicha cartografía de gravedad en la escala de metros es un desafío, ya que se necesitan largos tiempos de medición para tener en cuenta el ruido local, como las vibraciones del tráfico cercano.

El nuevo sensor cuántico utiliza nubes de átomos de rubidio enfriados a unas pocas millonésimas de grado Celsius por encima del cero absoluto. Los pulsos de láser conducen a los átomos a estados de superposición, con dos versiones de los átomos cayendo en trayectorias ligeramente diferentes, y luego estos átomos se recombinan. Luego, debido a la dualidad onda-partícula, el fenómeno cuántico en el que las partículas pueden actuar como ondas, y viceversa, estos átomos interfieren mecánicamente entre sí, con sus picos y valles aumentando o suprimiéndose entre sí. El análisis de la naturaleza de esta interferencia, una técnica conocida como interferometría atómica, puede revelar el alcance de las atracciones gravitatorias ligeramente diferentes que se sienten a lo largo de sus caminos separados.

El sensor utiliza un diseño de reloj de arena, con una nube en cada mitad del dispositivo separada verticalmente por 1 metro. Como tal, el sensor puede analizar la fuerza de la gravedad de la Tierra a dos alturas diferentes en el mismo lugar. Al comparar los datos de estas nubes, los investigadores pueden explicar una variedad de fuentes de ruido. En los experimentos, el sensor pudo detectar un túnel de servicio de 2 por 2 metros enterrado aproximadamente 0,5 metros bajo la superficie de una carretera entre dos edificios de varios pisos en la ciudad de Birmingham, en Inglaterra.

Las aplicaciones potenciales del sensor incluyen ver estructuras subterráneas ocultas, detectar recursos naturales subterráneos, descubrir sitios arqueológicos subterráneos y monitorear la actividad volcánica y los flujos de agua subterránea.

El sensor inicial del tamaño de un refrigerador pesaba unos 300 kilogramos y utilizaba unos 750 vatios. Los científicos ahora están trabajando para construir un sensor del tamaño de una mochila que pesa alrededor de 20 kg y funciona con baterías, dice Michael Holynski, físico experimental de la Universidad de Birmingham, en Inglaterra, y director de la startup Delta-G, que está comercializando el sensor. "El objetivo actual es llegar a un prototipo comercial de un sensor de próxima generación en los próximos dos años", dice. "Los primeros mercados rondan los 100 millones de libras esterlinas para los sensores. Sin embargo, los datos que crearán son más valiosos y relevantes para aplicaciones que representan un pequeño porcentaje del PIB en el Reino Unido".

DETECTAR COVID: Otro sensor cuántico prometedor podría conducir a pruebas más rápidas, económicas y precisas para el virus SARS-CoV-2 detrás de la pandemia mundial. Se basa en diamantes artificiales microscópicos con defectos en su interior, en los que un átomo de carbono se reemplaza con un átomo de nitrógeno y falta el átomo de carbono adyacente. Este defecto en los cristales se comporta como un pequeño imán cuya alineación es muy sensible a los campos magnéticos, lo que ayuda a que estos "centros de vacantes de nitrógeno" sirvan como sensores.

La nueva técnica consiste en recubrir diamantes con centro vacante de nitrógeno de aproximadamente 25 nanómetros de ancho con compuestos magnéticos que se desprenden de las gemas después de que se unen con la secuencia de ARN específica del virus SARS-CoV-2. Cuando estos diamantes se iluminan con luz verde, emitirán un brillo rojo. El revestimiento magnético atenúa este brillo; exponer los sensores al virus puede aumentar este brillo.

La prueba estándar de oro actual para el virus SARS-CoV-2 tarda varias horas en crear suficientes copias del material genético del virus para detectar. Además, no puede cuantificar la cantidad de virus presente con gran precisión y podría tener tasas de falsos negativos de más del 25 por ciento. Por el contrario, las simulaciones por computadora sugieren que, en teoría, la nueva prueba puede funcionar en solo un segundo, es lo suficientemente sensible como para detectar solo unos pocos cientos de cadenas de ARN viral y podría tener tasas de falsos negativos por debajo del 1 por ciento.

El sensor cuántico anterior para la presencia del virus SARS-CoV-2 utiliza solo materiales de bajo costo. Los dispositivos podrían ampliarse, según los investigadores, para analizar un lote completo de muestras a la vez. MIT

Los nanodiamantes y los demás materiales utilizados en la prueba son baratos. Además, este nuevo método podría adaptarse a prácticamente cualquier virus, incluidos los nuevos que puedan surgir, ajustando el recubrimiento magnético para que coincida con el virus objetivo. Actualmente están sintetizando y probando los sensores para ver qué tan bien funcionan realmente. "Esperamos obtener resultados prometedores muy pronto", dice el investigador Changhao Li, ingeniero cuántico del MIT.

SONDEO DE CÉLULAS Y MOLÉCULAS: Los sensores de diamante cuántico también pueden encontrar uso en termómetros dentro de las celdas. Los centros de vacantes de nitrógeno en los diamantes son muy sensibles a las pequeñas fluctuaciones de temperatura. El físico Peter Maurer de la Universidad de Chicago y sus colegas inyectaron diamantes a escala nanométrica con tales defectos en células vivas y examinaron cómo respondían los cristales a los rayos láser para mapear las temperaturas dentro de las células a unas pocas milésimas de grado Celsius.

"Se puede imaginar el uso de tales termómetros a escala atómica para investigar cómo la temperatura influye en la división celular, la expresión génica y cómo las moléculas entran y salen de las células, todas preguntas importantes en medicina y biología", dice el físico experimental David Awschalom del Laboratorio Nacional de Argonne y director del consorcio Q-NEXT.

Además, Maurer y sus colegas están investigando el uso de diamantes con centros vacantes de nitrógeno para realizar esencialmente resonancias magnéticas en moléculas. "Con los sensores cuánticos, puede realizar resonancias magnéticas al nivel de moléculas individuales para comprender la relación entre su estructura y función, lo que podría mejorar radicalmente nuestra comprensión de la medicina", dice Awschalom.

Los científicos desarrollaron una nueva forma de atar proteínas individuales y moléculas de ADN en la superficie de los diamantes que albergan centros de vacantes de nitrógeno. Al analizar los campos magnéticos de estas moléculas, "puede comprender las distancias entre los átomos, la fuerza de las interacciones entre ellos, dónde están y qué los mantiene juntos", dice Awschalom.

ACELERÓMETRO CUÁNTICO: El mundo ahora depende en gran medida de los sistemas satelitales de navegación global, como el GPS, pero los enlaces satelitales que ayudan a permitir dicho posicionamiento, navegación y sincronización no funcionan bajo tierra o bajo el agua y son vulnerables a interferencias, suplantación de identidad y clima. Ahora, un sensor cuántico del Imperial College London y la empresa M Squared, con sede en Glasgow, puede ayudar a los barcos a navegar incluso cuando se niega el GPS.

El sensor cuántico es un interferómetro atómico como el dispositivo de mapeo de la gravedad. Analizar cómo cambia la fase de sus paquetes de ondas atómicas puede revelar cualquier aceleración o rotación que experimentaron, que el dispositivo puede usar para calcular el cambio en su posición con el tiempo.

Este acelerómetro cuántico puede ayudar a servir como base de un sistema de navegación inercial que no depende de señales externas. Mientras que las fluctuaciones de temperatura y otros factores hacen que las estimaciones de posición de los sistemas de navegación inercial convencionales se desvíen en cuestión de horas sin una señal de referencia externa, el dispositivo de M Squared experimenta una desviación insignificante incluso después de días, dice Joseph Cotter, investigador del Centro de Materia Fría del Imperial College de Londres. .

"Es probable que los primeros en adoptar esta tecnología cuántica emergente sean aquellos interesados ​​en la navegación de largo alcance para vehículos submarinos y de superficie", dice Cotter. "Sin embargo, a medida que la tecnología se desarrolle y se vuelva cada vez más compacta y de menor costo, tendrá mayores beneficios en la industria del transporte a través de su implementación en barcos, trenes y aviones".

Los investigadores tienen planeadas pruebas de campo para su último dispositivo este verano. Actualmente, el acelerómetro cuántico "tiene aproximadamente el tamaño de dos lavadoras", señala Cotter. "Estamos trabajando para hacerlo aún más compacto".

SOFTWARE CUÁNTICO: Donde la mayoría de las empresas de sensores cuánticos se enfocan en el hardware, la startup Q-CTRL con sede en Sídney se enfoca en el software para mejorar la tecnología cuántica. "Cuando se sacan los sensores cuánticos de los entornos de laboratorio prístinos al campo, a menudo se ve una gran degradación en el rendimiento debido al ruido en las plataformas", dice Michael Biercuk, director ejecutivo y fundador de Q-CTRL. "Nuestro enfoque es recuperar este rendimiento con nuestro software de control cuántico".

Por ejemplo, muchos sensores cuánticos usan láseres para escanear átomos fríos y detectar cualquier cambio en el entorno, pero cualquier movimiento en el dispositivo puede hacer que los átomos salgan de los rayos láser. "Con nuestro software, podemos moldear el pulso de luz (su frecuencia, amplitud, fase) para hacerlo más resistente al movimiento sin ningún cambio en el hardware", dice Biercuk.

Q-CTRL se ha asociado con la empresa de navegación inercial con sede en Sídney Advanced Navigation para desarrollar un sistema de navegación inercial con interferómetro atómico basado en rubidio que puede caber en menos de 1 metro cúbico y puede funcionar en áreas sin GPS. "Nuestro objetivo es tener la primera entrega de sistemas de campo en 2023", dice Biercuk.

La compañía también tiene como objetivo colocar interferómetros atómicos a bordo de satélites para realizar mapas de gravedad desde el espacio a un costo 100 veces menor que el actual, y se espera el lanzamiento de cargas útiles de demostración en órbita terrestre baja en 2025. Además, Q-CTRL es miembro de Seven de Australia. El consorcio de la industria espacial Sisters está diseñando un nuevo rover lunar en apoyo del programa Artemis de la NASA, en el que Q-CTRL está trabajando en un magnetómetro atómico cuántico basado en rubidio para analizar magnéticamente las rocas lunares en busca de oxígeno.

MATERIA OSCURA, TELESCOPIOS GIGANTES: Los sensores cuánticos pueden ayudar a investigar asuntos mucho más allá de la Tierra. Por ejemplo, uno de los mayores misterios del universo es la naturaleza y la identidad de la materia oscura, la sustancia invisible que se piensa que constituye las cinco sextas partes de toda la materia del universo. Los principales candidatos teóricos para la materia oscura incluyen partículas conocidas como axiones, que en principio tienen una masa extremadamente baja, como máximo una billonésima parte de la masa del protón, lo que las hace difíciles de detectar.

El físico cuántico Kent Irwin de la Universidad de Stanford y sus colegas están desarrollando una "radio de materia oscura" para detectar axiones y candidatos similares a la materia oscura. Un poderoso imán en el dispositivo convertirá los axiones en ondas de radio, y los sensores cuánticos apuntarán a amplificar y detectar estas señales de radio extremadamente débiles.

Dado que las frecuencias que sondeará la radio de materia oscura incluirán las utilizadas para la transmisión por aire, el dispositivo requerirá un blindaje dentro de una capa delgada de metal de niobio superconductor enfriado en helio líquido. Esto debería filtrar las señales artificiales, pero la materia oscura penetrará fácilmente. "Estamos planeando una versión de la radio de materia oscura ahora que tiene una escala de un metro cúbico que nos gustaría construir en los próximos años", dice Irwin.

La física cuántica también puede ayudar a habilitar conjuntos de telescopios gigantes, dice Irwin. Múltiples telescopios muy separados en el espacio teóricamente pueden combinarse para formar esencialmente un solo telescopio de miles de kilómetros de ancho.

La formación de tales conjuntos con telescopios ópticos que toman imágenes de la luz visible es difícil debido a las fluctuaciones aleatorias que inevitablemente surgen en cualquier fibra óptica que conecte estos telescopios. Sin embargo, el entrelazamiento puede, en principio, permitir la teletransportación cuántica de datos a través de grandes distancias.

El investigador de óptica cuántica Paul Kwiat de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign está investigando actualmente tal "telescopía cuántica mejorada" con experimentos de mesa. "Todavía está muy lejos, pero también es un verdadero santo grial, una foto de la luna que es increíblemente emocionante", dice Irwin. Un conjunto de telescopios de aproximadamente el diámetro de la Tierra puede, en principio, representar imágenes del tamaño de ciudades en estrellas cercanas, dice.

LÍMITES NO DICHOS:Recientemente, científicos en Austria desarrollaron el primer sensor cuántico programable, un dispositivo capaz de un nivel de sensibilidad sin precedentes que opera cerca de los límites fundamentales impuestos por las leyes de la mecánica cuántica.

En este trabajo, programaron una computadora cuántica para encontrar la mejor configuración para sí misma con la que medir los estados de sus componentes. Descubrieron que este sensor cuántico programable podía optimizarse lo suficiente como para acercarse al límite de detección fundamental hasta un factor de aproximadamente 1,45. (Cuanto más se acerca un sensor al límite de detección final de 1, mejor es su rendimiento). Sugieren que los sensores cuánticos programables podrían encontrar uso en dispositivos como relojes atómicos y sistemas de posicionamiento global, así como sensores magnéticos e inerciales.

Con todo, "los sensores cuánticos están surgiendo con una precisión exquisita para cubrir todo, desde proteínas individuales hasta preguntas en astronomía y cosmología", dice Awschalom.

Este artículo aparece en la edición impresa de junio de 2022 como "Una guía para el auge de los sensores cuánticos".