Yeni bir sensör türü, bir gün doktorların tek tek hücrelerin içindeki enfeksiyonları tespit etmesine veya jeologların kürek kaldırmadan yer altı maden yataklarını bulmasına olanak tanıyabilir. Bu tür yenilikleri hayata geçirmek, ABD Ulusal Bilim Vakfı’nın 29 milyon dolarlık yatırımıyla desteklenen 18 araştırma ekibinin hedefidir. Amaç, insan ölçeğinde yeni fırsatlar yaratmak için doğanın kuantum ölçeğindeki son derece küçük ve bazen mantık dışı özelliklerinden yararlanmaktır.
18 takım, NSF’nin Kuantum Sistemlerinde Dönüşümsel Gelişmeler için Kuantum Algılama Zorlukları programı için yarışan ve fon kazanan ABD genelindeki üniversitelerdeki araştırmacılardan oluşuyor. Her takım, aksi takdirde imkansız olacak şeyleri yapabilen sensörler oluşturmak için dolaşma (iki veya daha fazla ayrı parçacığın bazı özelliklerinin görünmez şekilde birbirine bağlanması) gibi kuantum olaylarını kullanan araştırmaları yürütmek için dört yıl boyunca 1 milyon ila 2 milyon dolar alacak. . Ekipler toplu olarak, ultra hassas bir atom saati ile dağların yüksekliğini ve yoğunluğunu ölçmekten kuantum dolanık ışık parçacıklarıyla canlı hücrelerin iç işlevlerini ortaya çıkarmaya kadar geniş bir yelpazede keşif amaçlı araştırma faaliyetleri yürütecek.
NSF Direktörü Sethuraman Panchanathan, “On yıllardır kuantum ölçeğindeki bilimsel araştırmalar, evrenimizin nasıl çalıştığına dair şaşırtıcı keşiflere ve kuantum destekli teknolojiler için heyecan verici olasılıklara yol açtı” diyor. “Şimdi, temel araştırmaları hayatlarımızı, ekonomik refahımızı ve ulus olarak rekabet gücümüzü olumlu yönde etkileyebilecek potansiyel uygulamalarla birleştiren bu projeler ve diğerleri aracılığıyla kuantum araştırmasında bir sonraki adımı atıyoruz.”
Yeni projeler, NSF’nin 2018’de çağrılan bilimsel ve teknolojik ilerlemeleri gerçekleştirmeye yönelik daha geniş stratejisinin bir parçası. “Ulusal Kuantum Girişimi Yasası” ve özellikle 2022’nin Kuantum Sensörlerini Meyvelere Getirmek Ulusal Bilim ve Teknoloji Konseyi’nin raporu.
Araştırma ekipleri, ABD’de tarihsel olarak araştırma için diğerlerinden daha az federal fon alan bölgelere fon sağlayan NSF’nin Rekabetçi Araştırmayı Teşvik Etmek için Kurulmuş Programına (EPSCoR) katılan eyaletlerde bulunan iki kişiden oluşuyor. Ekiplerde araştırma ağırlıklı üniversitelerin yanı sıra yeni ortaya çıkan bir araştırma kurumundan bir üniversite de yer alıyor. Tüm ekipler araştırma ve geliştirme çalışmalarının yanı sıra eğitim ve sosyal yardım faaliyetleri de yürütecek. Bu faaliyetler arasında öğrenciler ve öğretmenlerle K-12 programları, yerel topluluk kolejleriyle ortaklıklar ve öğrencilere kuantumla ilgili bilim ve mühendislik alanında kariyer yapma konusunda ilham vermeyi amaçlayan diğer mentorluk programları yer alıyor.
18 takım ve projeler şöyle:
Zaman işleyişi ve eylemsizlik algılaması için kompakt ve sağlam kuantum atomik sensörler (Wisconsin Üniversitesi-Madison)
Ekip, uzay gibi zorlu ortamlarda veya GPS’in kullanılamadığı araçlarda kullanılabilecek kadar dayanıklı, taşınabilir ivmeölçerler ve atom saatleri oluşturmak için fotonik teknolojileri ve ultra soğuk atomları kullanacak.
2 boyutlu malzemeler kullanılarak helyum-4’lü kuantum sensörlerinin geliştirilmesi (Nevada Üniversitesi, Reno)
Ekip, süperakışkanlığın kuantum özelliklerinin basınç, yerçekimi, yerçekimi gibi yeni ultra hassas ölçümleri nasıl mümkün kılabileceğini keşfetmek için süperakışkan (sıfır viskoziteli bir sıvı) rezervuarları arasında Josephson bağlantısı olarak bilinen zayıf bir bağlantı oluşturmak için atomik ölçekte gözeneklere sahip bir zar oluşturacak. dönme ve hızlanma.
Teleskopi ve metroloji için dağıtılmış dolaşık kuantumla geliştirilmiş interferometrik görüntüleme (Oregon Üniversitesi)
Ekip, astronomik nesnelerin görüntülenmesini ve uzaktan algılamayı geliştirmek amacıyla çok uzun temel interferometriyi desteklemek için dolaşmış fotonları kullanan kuantumla geliştirilmiş bir teleskop için temel bileşenler oluşturacak.
Atmosfer ve aerosol kimyalarının dağıtılmış dolaşıklık kuantum algılaması (Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles)
Ekip, amonyak, nitrojen oksitler ve organik hidroperoksitler gibi atmosferik bileşenlerin uzaktan algılanması için “standart kuantum sınırının” ötesine geçmek amacıyla ışığın dolaşmış halleriyle dağıtılmış kuantum algılamayı ve yeni kuantum spektroskopi tekniklerini kullanacak.
Magnonların kuantum algılaması ile manyetik malzeme ve cihazlarda ilerleme sağlanması (Case Western Reserve Üniversitesi)
Ekip, manyetik alan duvarlarının hareketini (mıknatıslanmanın tekdüze bir yönde olduğu bölgeler arasındaki manyetik malzeme içindeki sınırlar) ve nanokristalin yumuşak manyetik alaşımlarda ve diğer egzotik malzemelerde “magnonlar” olarak bilinen yarı parçacıkların uyarılmasını araştıracak. Bellek teknolojileri.
İn vivo sinir fonksiyonunun dolaşıklıkla geliştirilmiş multifoton floresans görüntülemesi (Batı Virginia Üniversitesi)
Ekip, canlı organizmaların nöron hücrelerini görmenin yeni yollarını keşfetmek için dolaşmış fotonları (ışığın kuantum durumları) kullanacak ve sinir sistemindeki biyolojik süreçlerin görüntülenmesinde potansiyel olarak daha fazla çözünürlük ve verimlilik sağlayacak.
Kuantum zaman sensörleriyle jeodezi ve yerçekimi algılamasının iyileştirilmesi (Colorado Boulder Üniversitesi)
Ekip, “yerçekimi kırmızıya kaymayı” veya farklı yüksekliklerde Dünya’nın yerçekimi alanındaki farklılıkların neden olduğu zaman akışındaki küçük değişiklikleri ölçerek, Dünya üzerinde potansiyel olarak herhangi bir yerde yüksekliği belirlemenin yeni bir yolu olarak taşınabilir, hiper-doğru atom saatlerini kullanacak.
Entegre sıkıştırılmış ışıklı manyeto-optik sensör (Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara)
Ekip, navigasyon, uzay araştırmaları ve biyomedikal araştırmalar gibi uygulamalar için ultra duyarlı manyetometri (manyetik alan algılama) için ışığın kuantum durumlarını kullanan fotonik çipler (katı hal lazerleri, ışık kılavuzları ve dedektörleri olan cihazlar) oluşturacak.
Dört boyutlu canlı hücre görüntüleme için Nanodiamond kuantum algılama (Dallas’taki Texas Üniversitesi)
Ekip, belirli spektroskopi ve mikroskopi türleri için yüksek saflıkta nano ölçekli elmaslar kullanarak, kanser immünoterapilerinde enfeksiyonla mücadele eden antikorların etkisi de dahil olmak üzere, canlı hücreler içindeki süreçlerin video görüntülenmesine yönelik yeni teknikleri araştıracak.
Elmas kuantum sensörlü nano ölçekli kovaryans manyetometrisi (Princeton Üniversitesi)
Ekip, malzeme bilimindeki potansiyel uygulamalarla, nitrojen boşluk merkezleri olarak bilinen elmas kristallerindeki mikroskobik kusurların kuantum özelliklerini kullanarak, grafen gibi malzemelerdeki elektrik akımının ve manyetik dokuların kuantum ölçeğindeki özelliklerini ölçecek.
Gelişmiş kuantum algılama için gürültü mühendisliği (Colorado Eyalet Üniversitesi)
Ekip, yeni kimyasal sensörlerin temelini oluşturmak amacıyla malzemelerdeki manyetik “gürültüyü” anlamak ve karakterize etmek için yeni bir teknik geliştirecek.
Optik atom saatleri için yeni kuantum algoritmaları (Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara).
Ekip, atom saati topluluklarını, yerçekimsel dalgalar veya karanlık madde gibi fenomenleri tespit etmek için kullanılabilecek bir noktaya kadar geliştirmek için yeni kuantum algoritmaları ve yöntemleri üretecek.
Kuantum atomik tutarlılık tabanlı yüklü parçacık sensörü (William & Mary)
Ekip, yakındaki atomların kuantum durumu üzerindeki etkiyi gözlemleyerek iyonları (elektrik yüklü parçacıklar) tespit edecek ve böylece iyonların yakınlığını, yükünü ve hızını ortaya çıkaracak yeni bir tür parçacık detektörü oluşturacak.
Tasarımcı moleküler düzeneklerdeki optik olarak hiperpolarize kuantum sensörleri (Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley)
Ekip, kimyasal maddeleri daha iyi tespit etmek için belirli kuantum spin özelliklerine sahip parçacıkları metal-organik çerçevelere (metal ve organik molekülleri birleştiren gelişmiş malzemeler) yerleştirecek.
Biyomoleküler analitik için kuantum algılama platformu (Chicago Üniversitesi)
Ekip, elmastaki nitrojen-boşluk merkezlerinin kuantum özelliklerini kullanarak biyolojik hücrelerin içindeki sıcaklık ve oksijen konsantrasyonları gibi çeşitli koşulları tespit edebilen yeni mikroskop teknolojisi geliştirecek.
Metroloji, kimya ve astrofizik için kuantum sensör ağları (Harvard Üniversitesi)
Ekip, manyetik alan algılama, uzaktan algılama, görüntüleme ve belirli moleküllerin veya proteinlerin ultra düşük konsantrasyonlarını tespit etme gibi çeşitli uygulamalar için tutarlılık ve dolaşıklıktan yararlanan dağıtılmış kuantum sensör ağlarının nasıl kullanılacağını keşfedecek.
Üçüncü dereceden doğrusal olmamalara dayanan, klasik olmayan ışıkla kuantum algılama (Maryland Üniversitesi)
Ekip, biyomedikal araştırmalar için fotodiyot kuantum verimliliği kalibrasyonu ve moleküler spektroskopi gibi uygulamalar için “sıkıştırılmış” ışığın kuantum durumlarını üreten ve kullanan fotonik çip cihazları üretecek.
Hareket halindeyken algılama zekası: Mahsul hastalıklarının kuantumla geliştirilmiş optik teşhisi (Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi)
Ekip, salatalık bitkilerindeki tüylü küf gibi mahsul hastalıklarını, ışığın dolaşmış durumlarına sahip, sahada konuşlandırılabilir spektroskopi cihazlarını kullanarak tespit etmek için kuantumla geliştirilmiş sensörler geliştirecek.
Program hakkında daha fazla bilgi için şu adresi ziyaret edin: Kuantum Sistemlerinde Dönüşümsel İlerlemeler için Kuantum Algılamanın Zorlukları programın web sayfası.