Kwantumsensor: meten met de wetten van de kwantummechanica
Stel je voor dat je in een volle voetbalstadion het gefluister van één persoon aan de andere kant van het veld probeert te verstaan. Een gewone microfoon redt dat niet, hoe goed hij ook is. Een kwantumsensor is te vergelijken met een instrument dat niet naar het geluid zelf luistert, maar naar de allerkleinste trillingen die dat gefluister veroorzaakt in de lucht rondom elke toeschouwer afzonderlijk. Door gebruik te maken van de bizarre eigenschappen van atomen en deeltjes op kwantumniveau, kunnen deze sensoren dingen meten die met klassieke technologie simpelweg buiten bereik liggen.
Een kwantumsensor is een meetinstrument dat gebruikmaakt van kwantummechanische verschijnselen, zoals superpositie (een deeltje dat tegelijk meerdere toestanden aanneemt) en verstrengeling (deeltjes die onderling verbonden blijven, ongeacht de afstand), om fysische grootheden extreem nauwkeurig te meten. Denk aan tijd, zwaartekracht, magnetische velden of versnelling. Waar een klassieke sensor een gemiddelde meet over miljarden atomen, kan een kwantumsensor de toestand van individuele atomen of fotonen uitlezen en zo een gevoeligheid bereiken die vele ordes van grootte hoger ligt dan wat we gewend zijn.
Wat is het precies?
De kern van een kwantumsensor is dat hij gebruikmaakt van een systeem dat extreem gevoelig is voor zijn omgeving: een enkel atoom, een foton, of een klein aantal elektronen. Omdat kwantumsystemen zo broos zijn, verstoort de kleinste invloed van buitenaf, zoals een zwakke magneetveld of een minuscule zwaartekrachtsverandering, hun toestand meetbaar. Die extreme gevoeligheid is precies wat wetenschappers willen benutten.
Een veelgebruikte techniek is atoominterferometrie. Atomen worden met laserlicht afgeremd en afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt (min 273,15 graden Celsius), waardoor ze zich als golven gaan gedragen in plaats van als deeltjes. Zo'n atoomgolf wordt gesplitst, langs twee paden gestuurd en weer samengevoegd. Als er onderweg een kracht op inwerkt, zoals zwaartekracht, verschuift het interferentiepatroon waarin de golven samenkomen. Uit die verschuiving valt de kracht met grote precisie af te lezen.
Een andere aanpak gebruikt zogeheten NV-centra: piepkleine defecten in een diamantkristal waarbij een koolstofatoom is vervangen door een stikstofatoom, naast een lege plek in het rooster. Deze defecten reageren met licht op magnetische velden en werken zelfs bij kamertemperatuur, wat ze praktisch maakt buiten het laboratorium. Weer een andere techniek is de SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), een supergeleidende lus die op basis van kwantumtunneling extreem zwakke magnetische velden detecteert, zoals die van hersenactiviteit.
Ten slotte zijn er optische atoomklokken: atomen die met laserlicht op een exacte overgang tussen energieniveaus worden gehouden, waardoor ze als de nauwkeurigste 'slingers' ter wereld fungeren. Ook dit is een vorm van kwantumsensing, want de klok meet in feite hoe stabiel de kwantumtoestand van het atoom blijft.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is metingen doen die met klassieke instrumenten onmogelijk of onbetaalbaar nauwkeurig zijn. Op het gebied van navigatie hopen onderzoekers en defensie-organisaties kwantumsensoren te gebruiken als alternatief voor gps. Een kwantumversnellingsmeter kan de beweging van een voertuig, schip of vliegtuig zo precies bijhouden dat navigatie mogelijk blijft, zelfs als satellietsignalen worden gestoord of ontbreken, bijvoorbeeld onder water of in een conflictgebied.
In de geowetenschappen wil men met kwantumzwaartekrachtmeters ondergrondse structuren in kaart brengen: holtes, leidingen, mijnbouwlagen of magmakamers onder vulkanen, zonder te hoeven graven. In de geneeskunde belooft magnetometrie op kwantumbasis gedetailleerdere hersenscans dan de huidige MEG-apparatuur (magneto-encefalografie), en mogelijk goedkopere, draagbare varianten. In de telecommunicatie en financiële sector is extreem nauwkeurige tijdmeting cruciaal voor het synchroniseren van netwerken en transacties. En in de fundamentele natuurkunde hopen onderzoekers met kwantumsensoren zaken te ontdekken die nu nog buiten bereik liggen, zoals aanwijzingen voor donkere materie of subtiele afwijkingen van Einsteins relativiteitstheorie.
Voorbeelden uit de praktijk
Enkele concrete projecten laten zien hoe ver dit onderzoeksveld al is gevorderd:
- Cold Atom Lab (NASA/JPL, sinds 2018): dit laboratorium op het internationale ruimtestation ISS maakt ultrakoude atoomwolken, zogeheten Bose-Einsteincondensaten, in de microzwaartekrachtomgeving van de ruimte. Zonder de aardse zwaartekracht die de metingen normaal verstoort, kunnen onderzoekers atoominterferometrie testen onder omstandigheden die op aarde niet te evenaren zijn.
- MAIUS-raketmissies (DLR en Universiteit van Bremen, vanaf 2017): met een onbemande sondeerraket werd in 2017 voor het eerst een Bose-Einsteincondensaat in de ruimte gecreëerd, als opstap naar compacte kwantumsensoren die bestand zijn tegen de trillingen van een lancering.
- Muquans / Exail, Absolute Quantum Gravimeter (Frankrijk): dit Franse bedrijf, later opgegaan in Exail (voorheen iXblue), ontwikkelde een draagbare kwantumzwaartekrachtmeter die onder meer is ingezet bij het monitoren van vulkanische activiteit op Réunion, waar veranderingen in de ondergrondse zwaartekracht kunnen wijzen op bewegend magma.
- QuTech (TU Delft en TNO, Nederland): dit Nederlandse onderzoeksinstituut werkt onder meer aan NV-centra in diamant voor magnetometrie en aan kwantumsensornetwerken, als onderdeel van de bredere Nederlandse inzet op kwantumtechnologie.
- Kwantumnavigatie voor defensie en luchtvaart (Verenigd Koninkrijk): Britse bedrijven en onderzoeksgroepen, waaronder spin-offs van Imperial College London, hebben de afgelopen jaren testen uitgevoerd met kwantumversnellingsmeters aan boord van vliegtuigen, met als doel navigatie zonder afhankelijkheid van gps-satellieten. Over de exacte resultaten en operationele rijpheid van deze proeven is nog weinig onafhankelijk gepubliceerd, dus voorzichtigheid met concrete claims is op zijn plaats.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Optische atoomklokken en kwantumzwaartekrachtmeters zijn het verst: ze bestaan al als commercieel verkrijgbare, zij het dure en gespecialiseerde apparatuur, en worden gebruikt in geodesie, tijdmeting voor telecomnetwerken en geofysisch onderzoek. NV-diamantmagnetometers worden inmiddels ook buiten laboratoria getest, bijvoorbeeld in prototypes voor medische beeldvorming.
Kwantumnavigatiesystemen en op verstrengeling gebaseerde sensoren staan minder ver: die verkeren grotendeels nog in de onderzoeks- en pilotfase. De grootste obstakels zijn miniaturisering en robuustheid. De laserkoeling, vacuümkamers en trillingsvrije opstellingen die in een laboratorium goed werken, zijn lastig te verkleinen tot iets dat in een vliegtuig, schip of zelfs een smartphone past. Ook energieverbruik, kalibratiedrift over tijd en gevoeligheid voor omgevingsstoringen buiten een gecontroleerde labomgeving blijven flinke technische hindernissen. Experts schatten doorgaans dat brede, betaalbare inzet buiten niche-toepassingen nog zeker een tot twee decennia kan duren, al gaat de ontwikkeling van componenten zoals compacte lasers en chipgebaseerde atoomvallen wel gestaag vooruit.
Wie werken eraan?
Op instituutsniveau lopen de Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Duitse Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) voorop bij optische atoomklokken. Het Duitse ruimtevaartagentschap DLR en de Universiteit van Bremen zijn toonaangevend in kwantumsensoren voor ruimtetoepassingen. In Nederland combineert QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, kwantumsensoronderzoek met de bredere Nederlandse kwantumtechnologie-agenda.
In het Verenigd Koninkrijk coördineert het National Quantum Technologies Programme meerdere onderzoekshubs, waaronder een hub gericht op sensoren en tijdmeting waarin onder meer de University of Birmingham en Imperial College London een grote rol spelen. Op bedrijfsniveau zijn spelers als Exail (met de voormalige Muquans-technologie, Frankrijk), Infleqtion, voorheen ColdQuanta (Verenigde Staten), M Squared Lasers (Verenigd Koninkrijk) en AOSense (Verenigde Staten) actief in het commercialiseren van kwantumsensoren. Ook de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA en de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA financieren en testen kwantumsensortechnologie voor toepassingen in de ruimte. Bredere overheidsprogramma's, zoals het EU Quantum Flagship en het Amerikaanse National Quantum Initiative Act, stimuleren onderzoek op dit terrein in respectievelijk Europa en de Verenigde Staten, terwijl ook China fors investeert in kwantumtechnologie, al is daarover minder in detail gepubliceerd in westerse vakliteratuur.