TEKNOLOGI | Kvantemaskiner (del 4)
Kvantesensorer får tidenes presisjon
Forskere er i gang med å utvikle kvantesensorer som kan oppdage fremmede ubåter under isen, hulrom under bakken og hvordan medisiner tas opp i kroppen. Bare fantasien setter grenser. Fellesnevneren er ekstrem presisjon på atomnivå.
Sensorer blir stadig viktigere i hverdagen din. Eksempler på sensorer som du omgir deg med og som du kanskje ikke tenker så mye på til vanlig, er sensorer i bilen din som varsler om du havner over i feil kjørebane eller som leser fartsskiltene langs veien, detektorer som oppdager at tyver beveger seg rundt hjemmet ditt og EKG-målinger som legen bruker for å sjekke den elektriske aktiviteten i hjertet ditt. For å nevne noe.
Disse sensorene vil om få år høres gammeldagse ut. Takket være kvanteteknologien kan fremtidens sensorer bli svært mye bedre.
– Den teknologien som er kommet lengst innen kvanteteknologien, er kvantesensorer. Mulighetene er mange. Vi ønsker langt mer følsomme sensorer enn det som allerede fins eller sensorer som det ikke er mulig å lage i dag, forteller professor Lasse Vines på Fysisk institutt ved UiO.
Det fins allerede mange forskjellige typer kvantesensorer.
– Felles for dem alle er at de har en følsomhet som vi aldri tidligere har vært i nærheten av, sier professor Susanne Viefers på Fysisk institutt.
– Kvantesensorer kan måle alle slags fysiske og kjemiske størrelser med et presisjonsnivå som man nesten ikke kan forestille seg, sa konserndirektør Trond Runar Hagen i SINTEF Digital på NHOs kvanteseminar i høst.
Professor Morten Hjorth-Jensen på Fysisk institutt har også store forhåpninger til fremtidens kvantesensorer.
– Jeg ser for meg betydelige forbedringer av dagens måleutstyr, sier Morten Hjorth-Jensen.
Han mener kvantesensorer har enda en fordel. De slites mindre ned over tid enn dagens sensorer.
– Kvantesensorer holder seg lenger, fordi det blir mindre varmeutvikling, sier Hjorth-Jensen.
– Med kvantesensorer kan vi utnytte at de er svært sensitive for det som skjer rundt dem. Vi kan bruke dem til å måle slike ting som trykk, temperatur, elektromagnetiske felt og gravitasjon med bedre presisjon enn før, hurtigere enn før og kanskje under mer ekstreme forhold, fremhever forsker Marianne Etzelmüller Bathen på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved UiO.
Gravitasjon
En av de mange mulighetene med kvantesensorer er hyperfølsomme gravitasjonsmålinger.
Hvis massen hadde vært lik over hele Jorda, ville gravitasjonen ha vært den samme overalt. Men slik er det ikke.
Nøyaktigheten til kvantesensorene er så stor at endringen av gravitasjonskraften vil kunne måles om du klipper av litt av håret ditt.
– Hvis det er en tunnel rett under bakken, vil gravitasjonskraften være mikroskopisk mindre enn om tunnelen ikke var der. Her er det åpenbart militære muligheter, slik som å kunne oppdage tunneler under bakken. Dette er fantastisk kult. Man bruker en kvantetilstand på noen få atomer og kan måle om man står over en tunnel. Det er sykt, sier Susanne Viefers.
Gravitasjonsmålinger kan også brukes til å sjekke om bakken består av lette eller tyngre mineraler, ettersom gravitasjonskraften er større i områder med tyngre mineraler. Slike sensorer vil også kunne oppdage arkeologiske funn under bakken. Mulighetene er mange.
Atomur
En annen mulighet er hypernøyaktige atomur.
– Her baserer klokken seg på målinger av elektroner mellom to elektronbaner rundt et atom. Når ett elektron faller tilbake til en elektronbane nærmere atom kjernen, gir det fra seg et foton. Dette fotonet har en så presis frekvens, at vi kan få atomur med en nøyaktighet på bare ett sekunds feil i løpet av universets levetid, sier Susanne Viefers.
Atomurene kan brukes til å navigere med.
– Ved hjelp av atomur kan man måle gravitasjonsfelt med en svært stor nøyaktighet. Man kan lage sensorer som kan se ned i jorda før man lager en byggeplass, sier professor Jan W. Thomsen, lederen for Quantum Computing Programme i Novo Nordisk Foundation i København.
– Med en meget nøyaktig tidsangivelse skal man i stor grad kunne vite hvor man er, sier Kenneth Ruud, direktøren på Forsvarets forskningsinstitutt.
– Atomurene skal kunne brukes sammen med kvantesensorer som måler akselerasjon, gravitasjonsfelt og magnetfelt.
Ved hjelp av atomur kan man måle gravitasjonsfelt med en svært stor nøyaktighet. Man kan lage sensorer som kan se ned i jorda før man lager en byggeplass.
Ja! Du leste ordet magnetfelt.
– Magnetiske sensorer kan også brukes til å måle lavastrømmer og kommende jordskjelv, sier Jan W. Thomsen.
En annen mulighet er å bruke kvantesensorer til å måle jordrotasjonen.
– Det viser seg faktisk at når løvet faller av trærne om høsten, roterer jorden litt fortere, akkurat som en kunstløperske roterer raskere når hun drar inn armene sine, forteller forskningsdekan Bjørn Jamtveit på Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet.
Militære anvendelser
– Man skal ikke være særlig kreativ for å forstå at denne teknologien kan brukes av Forsvaret, sa Trond Runar Hagen på høstens NHO-seminar om kvanteteknologi.
Et av de store problemene er å navigere under vann og under isen. Da fungerer ikke GPS. Samtidig er det viktig for Forsvaret å vite hvor fienden gjemmer seg i havet.
– Akkurat som vi i dag kan bruke droner til å overvåke all militær aktivitet på land og i luften, kan vi bruke kvantesensorer til å navigere og overvåke aktiviteten i havet. Målet er å oppdage ubåter under isen, sier Kenneth Ruud.
På spørsmål om fremtidens kvanteutstyr på soldaten mener Kenneth Ruud at det bare er fantasien som setter grenser.
– På femtitallet, da datamaskinen veide flere tonn, var det ingen som tenkte at dagens soldater ville gå rundt med hver sin lille datamaskin. Den største utfordringen med kvanteteknologien, fra et militært perspektiv, er å få den fantastiske teknologien brukbar i en situasjon der fienden gjør alt for at utstyret ikke skal fungere optimalt. Vi må følge med og se hvilke trusler kvanteteknologien kan utgjøre for Forsvaret. Så snart det blir en konflikt, vil en del av den teknologien som vi er avhengige av i det daglige, ikke lenger fungere som følge av fiendtlig aktivitet, påpeker Kenneth Ruud.
En av de mange mulighetene er langt mer presis navigering enn dagens GPS. Kvantesensorer kan erstatte GPS-målingene fra satellitt. Det er ikke dumt. Både fienden og solstormer kan slå ut GPS-signalene.
– Da kan det være fint å ha navigasjonssystemer som ikke er avhengige av GPS, mener Susanne Viefers.
Medisin
Kvantesensorer vil også bety mye i den medisinske verden.
– Kvantesensorer kan måle magnetfelt som er ti milliarder ganger svakere enn magnetfeltet på Jorda. Slike følsomme sensorer kan gjøre det mulig å se hvordan både hjertet, hjernen og musklene fungerer, uten å stikke nåler inn i kroppen, forteller Jan W. Thomsen.
Han håper også at fremtidige kvantesensorer kan måle hvordan medisinene blir tatt opp av kroppen og hvordan kroppen utskiller medisinen.
Kvantesensorer vil også gjøre det mulig å måle temperaturforskjeller på en tusendels grad inne i cellene våre.
Det vil da være mulig å lage enda bedre sensorer for å skanne hjerneaktiviteten. Da er det mulig å få bedre elektromagnetiske målinger av hjernen.
Susanne Viefers ser for seg neste generasjon MR, som fotograferer kroppen innvendig med magnetiske målinger.
– Et eksempel er helt nye materialer som er svært følsomme når magnetfeltet endrer seg. Magnetfelt påvirker kvantetilstanden. Det vil da være mulig å lage enda bedre sensorer for å skanne hjerneaktiviteten. Da er det mulig å få bedre elektromagnetiske målinger av hjernen, sier Viefers.
Stoda i dag
Det er svært dyrt og ressurskrevende å lage kvantedatamaskiner. Både Sverige, Danmark og Finland satser stort på å bygge slike datamaskiner.
– Vi må ikke ha noen illusjon om at vi kan ta dem igjen. I Norge er det mer realistisk å lage kvantesensorer enn kvantedatamaskiner, fordi Norge allerede er store på sensorteknologi, forteller Susanne Viefers.
Kongsberg-gruppen lager blant annet sensorer til bruk på havbunnen. Dagens sensorer er ikke presise nok etter en tiårs tid. Da må de kalibreres på ny.
– Hvis vi ikke henger med i utviklingen, vil sensorene våre kunne bli utkonkurrert. Det å lage kvantesensorer er ikke gjort over natten. Hvis vi kommer på etterskudd, må vi ta igjen teknologi over flere år. Vi ønsker å være ledende i markedet, sier Terje Nilsen, direktør for banebrytende teknologier i Kongsberg Discovery, en del av Kongsberg-gruppen.
Hele poenget er:
– Utviklingen går utrolig fort. Vi har ikke fantasi til å se for oss alle mulighetene. Det kommer stadig nye ideer som ingen før har hatt, sier Susanne Viefers.
Teknikken
Marianne Etzelmüller Bathen poengterer at det fortsatt trengs mye grunnforskning.
– Ettersom vi ikke vet hva som vil betale seg på sikt, er vi nødt til å satse ganske bredt på kvanteforskningen, understreker hun.
Et av spesialene hennes er å forske på punktdefekter. Alle atomer er ordnet som i et gitter. Hvis du tar ut et atom eller bytter det med et annet atom i et rent materiale, får du en punktdefekt. Disse punktdefektene kan gi helt spesielle egenskaper i materialet.
– En del punktdefekter er uønsket. Andre er anvendbare, sier Lasse Vines.
Punktdefekter er bare en av mange muligheter for å lage kvantesensorer.
– Fordelen med å bruke punktdefekter er at de kan lages av halvlederindustrien, som produserer byggesteinen for all moderne teknologi i samfunnet vårt, påpeker Lasse Vines.
Fordelen med å bruke punktdefekter er at de kan lages av halvlederindustrien, som produserer byggesteinen for all moderne teknologi i samfunnet vårt.
– Dette er materialer som vi allerede har jobbet med i mange år.
For å lage disse materialene beskytes de med atomer.
– Du kan sammenligne dette med å spille bowling. Bowlingkulene, altså atomene, slår løs kjeglene. Vi ønsker å stå igjen med manglende kjegler, altså defekter i materialet, eller reorganisering av kjeglene, forteller Lasse Vines.
Poenget er at ingeniørene bare skal sitte igjen med ønskete defekter som fungerer i en kvantesensor og ikke defekter som skaper støy og vanskeligheter.
Selv om det kanskje høres enkelt ut, er det ikke enkelt å lage punktdefekter. En av mulighetene er å bruke en ionekanon. Den skyter ioner. Ioner er ladete atomer.
Med denne teknologien er det mulig å fjerne eller bytte ut en milliontedel av atomene.
Uheldigvis er det vanskelig å plassere atomene på en kontrollert måte ettersom punktdefektene blir spredd stokastisk.
Du kan sammenligne dette med å spille bowling. Bowlingkulene, altså atomene, slår løs kjeglene. Vi ønsker å stå igjen med manglende kjegler, altså defekter i materialet, eller reorganisering av kjeglene.
Det er også krevende å vite hvordan punktdefektene blir påvirket av temperaturendringer og elektriske felt, hvordan de kan utnyttes kvantemekanisk og i det hele tatt vite hvordan man kan lage dem i et laboratorium.
Forsker Gunnar Lange, som er teoretiker, beregner hvordan dette lar seg gjøre. Han sier i en munter tone at han overlater til eksperimentalistene å teste ut forslagene hans i praksis.
For å klare dette må praktikerne dandere materialene i en rekke ovner og apparater i renrommet i Mikro- og nanoteknologilaboratoriet og deretter undersøke hvor stabilt materialet er. For dette er et av de mange poengene: Kvantesensorer må være stabile og kunne tåle en skikkelig støyt.
