Сенсоры окружают нас повсюду: они есть в бытовой технике, медицинских приборах, лабораторных устройствах и космических аппаратах. Как использование квантовых эффектов позволяет создавать все более точные и миниатюрные датчики и где находит применение эта технология, ПостНауке рассказал физик Алексей Акимов.

Это материал из гида «Квантовые технологии». Партнер гида — Академия Росатома.

Сенсоры: квантовые и классические

Датчики (сенсоры) — это устройства для измерения каких-либо параметров изучаемых систем. Они делают возможным преобразование физических величин в сигнал, удобный для измерения, регистрации и передачи. В общем смысле любой физический прибор можно назвать сенсором. Зачастую датчиком и сенсором считаются относительно компактные приборы, которые можно разместить в комнате, на человеке или машине.

Размеры сенсорных устройств варьируются от молекулярных систем до километровых установок, таких как LIGO. Они могут непосредственно взаимодействовать с измеряемой системой, как это делает термометр или космический зонд, посылаемый на Марс или Солнце, либо пассивно получать данные — так работает пирометр и детектор нейтрино. В то же время массу небольшого предмета можно узнать путем сравнения с эталоном на весах, по объему вытесненной жидкости (в случае однородного тела с известной плотностью) или по изменению скорости после столкновения с другим телом. А массу далекой звезды мы узнаем, оценивая ее светимость и разделяющее нас расстояние, а также изучая, если повезет, ее влияние на звезду-компаньона. Массы же атомов и ядер определяются методами масс-спектроскопии.

Граница между классическими и квантовыми датчиками довольно размыта. Так или иначе, в основе всех явлений лежит квантовый мир, а любые измеряемые параметры нужно переводить на привычный нам макроуровень. Но все же обычно квантовые датчики — это устройства, которые опираются на эффекты квантовой механики. Какие-то датчики используют те же квантовые эффекты, но в меньшей степени, какие-то — в большей, какие-то эффекты принципиально классические, но имеют поправки за счет квантовой механики и так далее.

Но сегодня мы говорим о квантовых датчиках как об устройствах, которые возникают в результате развития квантовых технологий.