Subatomair en superprecies

Quantumcomputers zijn een hype. Maar quantumsensors, instrumenten die het gedrag van subatomaire deeltjes gebruiken om ultragevoelige metingen te doen, kunnen evenzeer grote veranderingen teweegbrengen. Ze kunnen leiden tot autonome voertuigen die om de hoek kunnen kijken, draagbare MRI-scanners die de hersenactiviteit van een persoon doorheen de dag opvolgen, systemen waarmee je onderwater kunt navigeren en systemen die waarschuwen voor vulkanische activiteit en aardbevingen.

Elk meetapparaat wordt preciezer naarmate de meeteenheid verkleint. Quantumsensors bereiken extreme niveaus van resolutie door het gedrag van subatomaire deeltjes te exploiteren. Ze gebruiken bijvoorbeeld het verschil tussen elektronen in verschillende energietoestanden als basiseenheid. Atoomklokken illustreren dat principe. De wereldtijd is gebaseerd op het feit dat elektronen in de cesium-133-atomen miljarden keren per seconde een specifieke energieovergang voltooien. Dat gebeurt zeer constant. Het maakt atoomklokken uiterst stabiel, en daarom een geschikte standaard om andere klokken op af te stemmen.

De quantumsensor van het MIT is vastgezet op een conventionele chip en bruikbaar bij kamertemperatuur.

Andere quantumsensors gebruiken atomaire overgangen om minuscule veranderingen in beweging en kleine verschillen in zwaartekrachts-, elektrische of magnetische velden te detecteren.
Er zijn ook andere manieren om een quantumsensor te bouwen. Zo werken onderzoekers van de Britse University of Birmingham aan vrij vallende, onderkoelde atomen om kleine veranderingen in de lokale zwaartekracht te detecteren. Met dat soort quantumgravimeter zouden specialisten ondergrondse buizen, kabels en andere objecten kunnen opsporen zonder te moeten graven. Hetzelfde geldt voor voorwerpen onder water.

De meeste quantumsensorsystemen blijven duur, groot en complex. Maar een nieuwe generatie van kleinere en betaalbaardere sensors kan al snel nieuwe toepassingen opleveren. Vorig jaar slaagden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology erin om met conventionele fabricagemethodes een in diamant verwerkte quantumsensor op een siliciumchip te plaatsen. Het prototype is een eerste stap in de richting van goedkope en op grote schaal geproduceerde quantumsensors. Die sensors werken op kamertemperatuur en kunnen worden gebruikt voor elke toepassing waarbij je fijne metingen van zwakke magnetische velden moet verrichten.

Quantumsystemen blijven uiterst gevoelig voor verstoringen, wat ze mogelijk enkel bruikbaar maakt in gecontroleerde omgevingen. Maar diverse overheids- en privéspelers investeren in de technologie. Het Verenigd Koninkrijk heeft 235 miljoen pond geïnvesteerd in een nieuw National Quantum Computing Center. Analisten verwachten dat quantumsensors in de komende drie à vijf jaar op de markt zullen verschijnen, voor met name medische en militaire doeleinden.