Ekstremt måleapparat kan bringe kvanteteknologien ind i din smartphone

Mennesker har siden oldtiden forsøgt at måle verden omkring sig og det gør vi stadig. Nu har forskere udviklet et af de hidtil mest følsomme måleapparater verden har set ved hjælp af kvantefysikkens love. En dag kan den måske blive din. Med to innovative løsninger har forskerne ved Niels Bohr Instituttet nu fundet en måde, som kan få kvanteteknologien helt ned i vores lommer.

Hjertet i apparatet kunne kaldes en "kvantetromme": Det er en tynd membran, der vibrerer som et trommeskind, men med så lille en amplitude, at kvantefysikkens love er nødvendige for at beskrive, hvad der sker. Med andre ord vibrerer den utrolig hurtigt. Det betyder, at trommen kan bruges som et ultra præcist måleapparat - en kvantesupersensor.

”Sensoren er så fintfølende, at vi i princippet kan måle at en enkelt mand hopper fra det ene ben til det andet i Paris. Vi ville være i stand til at opfange det her fra kælderen i København, tusinde kilometer væk. Det kræver godt nok, at han hopper med 1,4 millioner vibrationer i sekundet, så eksemplet er bedst som tankeeksperiment,” griner professor Albert Schliesser fra Niels Bohr Institutet, som står i spidsen for holdet bag kvantesensoren.

Trods det tænkte eksempel er sensoren meget virkelig, og de mulige anvendelser mange. Ved at aflæse ændringer i de vibrationer som kvantetrommen bevæger sig med, kan forskerne måle mange forskellige påvirkninger med ekstrem præcision.

”En ændring i lufttryk, temperatur eller tilstedeværelsen af en gasart for eksempel, de vil påvirke den måde trommen vibrerer, og med en laser kan vi aflæse det helt nøjagtigt. Men det er jo kun begyndelsen," forklarer professor Albert Schliesser:

"Ved at sætte et lille stykke metal eller en lille magnet på membranen, kan vi også detektere elektriske og magnetiske felter med ekstrem præcision," siger han.

Innovation kan gøre kvantesensor tilgængelig for alle

Hvor meget ville du betale for at have en kvantesupersensor i lommen?

Dette spørgsmål blev stillet af administrerende direktør for en af ​​verdens største teknologivirksomheder, da han besøgte kælderen på Niels Bohr Institutet i København, hvor Albert Schliesser og hans forskergruppe arbejder, - nysgerrig efter at vide mere om kvantetrommen.

At anvende sensorens membran uden for et laboratoriet har dog været så godt som umuligt, da det at nå kvanteregimet – og den ekstreme nøjagtighed – har krævet afkøling med flydende helium til næsten det absolutte nulpunkt (omkring -250 C).

"Ellers ville rystelser fra det varme miljø overdøve målingerne med støj, da stuetemperatur altid indebærer en masse tilfældig bevægelse," forklarer Albert Scliesser.

Men heliumkøling er besværligt, omfangsrigt og meget dyrt - en show-stopper for mange af de anvendelser sensoren kunne have, især når det drejer sig om udbredelse i almindelige forbrugeres gadgets.

Men det problem er nu fortid. I deres seneste undersøgelse har forskerne bevist, at de kan kombinere en slags støddæmper af egen opfindelse med en speciel laser-afkølingsteknik, og på den måde opnå den ekstreme præcision selv ved stuetemperatur, altså uden heliumkøling.

Det betyder, at sensoren nu kan gøres lille nok til at komme i en chip.

”Det kan være et meget lille setup. Sensoren kunne for eksempel sidde inde i udluftningen af et fabriksanlæg, der laver mikrochips og holde øje med temperatur og gaslækager,” siger forskeren. Det kan endda gøre det muligt at gøre sensoren til en del forbrugerenheder som eksempelvis smartphones i fremtiden.

Som et MR-mikroskop kan det blive et våben mod virus

Forskernes planer søger også andre videnskabelige horisonter. Ved hjælp af to synkroniserede "trommer" fra Albert Schliessers laboratorium har forskerkolleger fra Schweiz allerede formået at afbilde overfladen af ​​en enkelt virus for første gang nogensinde. Det blev opnået ved at scanne med en ultraskarp nål over virussen og således måle kraften mellem virussen og nålen ved hjælp af trommen.

Nu undersøger Albert Schliesser og hans kolleger muligheden for at måle bittesmå magnetiske kræfter, der udøves af såkaldte spins inde i en virus.

Grundæggende er det samme idé, som hospitalsscannere, der producerer detaljerede magnetiske resonansbilleder (MRI) af vores kroppe gør brug af - bare i en langt mindre skala. Og forventningen er at det kan føre til et nyt kraftfuldt værktøj til at forstå og bekæmpe virus.

"Vi arbejder nu på at gøre det muligt at afbilde mikroskopiske ting som virus, på samme måde som en MR-scanner ville. Det ville tilbyde et nyt værktøj inden for sundhedsvidenskaben, som kan kigge ind i nye virus og blandt andet afsløre hvilke proteiner de indeholder,« siger Albert Schliesser.

*

Fakta: To nye løsninger

For at kunne nå de højeste niveauer af præcision ved stuetemperatur har forskerne udviklet to innovative løsninger:

• Opfindelsen af et særligt hullet mønster, der nu udgør en patenteret ”støddæmper”, der afleder rystelser, som tidligere bevægede sig igennem membranen og skabte støj.
• Forskerne desuden forfinet en teknik kaldet laserkøling, der fungerer som en form for aktiv støjreduktion. Bevægelser fra omgivelserne måles og mødes med et tilsvarende modtryk, der udligner støjen.
  
  

Fakta: Grundforskning

Udover de specifikke anvendelser som måleapparat og scanner er kvantetrommen også et vigtigt redskab i forskernes forsøg på at forstå kvantefysikken.

Et spørgsmål, der har optaget fysikere siden Niels Bohrs og Erwin Schrödingers dage, er, hvorfor kvantefysikkens love gælder for den mikroskopiske verden, men forskellige "klassiske" fysiske love styrer store objekters opførsel.

Da den er et "stort" objekt i den forstand, men kan udvise en vis kvanteadfærd, kan kvantetrommen bruges til at undersøge, hvornår og hvordan kvanteverdenen overgår til den klassiske verden.