Նախընտրելի
Քվանտային ֆիզիկան երկար ժամանակ թվում էր մի ոլորտ, որը գոյություն ունի որևէ տեղ առօրյա աշխարհից դուրս։ Սուպերպոզիցիան, խճճվածությունը և միկրոաշխարհի այլ էֆեկտները հնչում էին ավելի շատ որպես բնության հիմնարար առեղծվածներ, քան որպես գործնական տեխնոլոգիաների հիմք։ Սակայն այսօր հենց այս հատկություններն են սկսում վերածվել գործիքների, որոնք ընդունակ են չափել այն, ինչ սովորական սարքերի համար չափազանց դժվար է տեսնել։
Խոսքը քվանտային սենսորների մասին է․ սարքեր, որոնք օգտագործում են ատոմների, էլեկտրոնների և այլ քվանտային համակարգերի զգայունությունը շրջակա միջավայրի փոփոխությունների նկատմամբ։ Դրանք թույլ են տալիս բարձր ճշգրտությամբ չափել մագնիսական և գրավիտացիոն դաշտերը, ինչը նշանակում է ստանալ ինֆորմացիա թաքնված օբյեկտների, երկրային ապարների կառուցվածքի և նույնիսկ մարդկային ուղեղի էլեկտրական ակտիվության մասին։
Տեսնել այն, ինչ թաքնված է հողի տակ
Պատկերացնենք շինարարական հրապարակ, որտեղ դեռևս նախքան հողային աշխատանքներ սկսելը անհրաժեշտ է հասկանալ, թե ինչ կա մակերևույթի տակ։ Այնտեղ կարող են անցնել խողովակներ, գտնվել հին հիմքեր կամ այլ օբյեկտներ։
Երկրաֆիզիկական հետախուզության սովորական մեթոդներն ունեն սահմանափակումներ։ Օրինակ, երկրարադարները չեն աշխատում հողի բոլոր տեսակներում, իսկ որոշ ստորգետնյա օբյեկտներ մեծ խորության վրա դառնում են գրեթե անհասանելի հայտնաբերման համար։ Քվանտային գրավիմետրերն առաջարկում են սկզբունքորեն այլ մոտեցում։ Դրանք չափում են գրավիտացիոն դաշտի չափազանց փոքր փոփոխությունները։
Գրավիտացիան կախված է զանգվածի բաշխումից։ Եթե հողի տակ գտնվում է մի օբյեկտ, որի խտությունը տարբերվում է շրջակա ապարից, այն փոքր-ինչ փոխում է տեղային գրավիտացիոն դաշտը։ Դատարկությունը, թունելը կամ նվազ խիտ նյութով հատվածը, օրինակ, ստեղծում են ծանրության ուժի չնչին նվազում։ Այն այնքան փոքր է, որ սովորական սարքով այն որսալը հեշտ չէ, սակայն քվանտային սենսորի համար նման տարբերությունը կարող է դառնալ չափելի ազդանշան։
Ինչպես են ատոմները վերածվում գրավիմետրի
Նման որոշ սարքերի հիմքում ընկած են գերսառը ատոմների ամպերը, օրինակ՝ ռուբիդիումի։ Դրանք տեղադրում են վակուումային խցիկում և լազերների ու մագնիսական դաշտերի օգնությամբ պահում խիստ վերահսկվող վիճակում։ Այստեղ էլ հայտնվում է քվանտային մեխանիկան։ Լազերը կարող է ատոմը փոխադրել սուպերպոզիցիայի վիճակի։ Նման վիճակում քվանտային համակարգը նկարագրվում է միանգամից մի քանի հնարավոր վիճակներով՝ մինչև չափման պահը։ Հետազոտողներն օգտագործում են այս հատկությունը, որպեսզի համեմատեն, թե ինչպես են ատոմներն իրենց դրսևորում տարբեր բարձրությունների վրա։
Ատոմային ամպը փաստացի բաժանում են երկու քվանտային բաղադրիչի։ Դրանցից մեկը հայտնվում է մյուսից փոքր-ինչ ավելի բարձր։ Քանի որ գրավիտացիոն պոտենցիալը տարբեր բարձրությունների վրա տարբերվում է, քվանտային վիճակները սկսում են զարգանալ տարբեր արագությամբ։ Երբ երկու բաղադրիչները կրկին միավորվում են, դրանք ինտերֆերում են (միջամտում են) միմյանց հետ։ Այս ինտերֆերենցիայի բնույթով գիտնականները կարող են որոշել, թե որքանով է փոխվել գրավիտացիոն դաշտը։ Դա հիշեցնում է չափազանց ճշգրիտ քվանտային ժամացույց․ ծանրության ուժն անմիջականորեն չափելու փոխարեն սարքը հետևում է, թե ինչպես է գրավիտացիան փոխել ատոմների քվանտային վիճակը։
Ինչու են անհրաժեշտ ատոմների երկու ամպեր
Նման չափումների հիմնական խնդիրներից մեկը տատանումներն (վիբրացիաներն) են։ Եթե սարքը գտնվում է Երկրի մակերևույթին, այն կարող են տատանել տրանսպորտի շարժումը, աշխատող տեխնիկան, մարդկանց քայլերը և նույնիսկ հողի բնական տատանումները։ Ուստի հետազոտողներն օգտագործում են գրավիտացիոն գրադիոմետրեր։ Դրանք միաժամանակ չափում են գրավիտացիոն դաշտը տարբեր բարձրությունների վրա գտնվող երկու կետերում։ Ընդհանուր տատանումներն ազդում են երկու չափումների վրա էլ, և դրանք կարելի է մասամբ բացառել՝ թողնելով հենց հողի տակ զանգվածի բաշխման հետ կապված տարբերությունը։
Հեռանկարում նման սարքերը կկարողանան փնտրել ստորգետնյա խողովակներ և դատարկություններ, հետազոտել երկրաբանական կառուցվածքները, հայտնաբերել ջրատար հորիզոնները, օգնել հանքային ռեսուրսների որոնմանը և հետևել հրաբխային համակարգերի փոփոխություններին։ Կա ևս մեկ պոտենցիալ կիրառություն՝ հնագիտությունը։ Քվանտային գրավիմետրը տեսականորեն կարող է հայտնաբերել հողի տակ թաքնված կառույցներ՝ առանց պեղումներ պահանջելու։
Երկրակեղևից մինչև մարդկային ուղեղ
Սակայն գրավիտացիան միայն մեկն է այն մեծություններից, որոնք կարելի է չափել քվանտային տեխնոլոգիաներով։ Ոչ պակաս հետաքրքիր ուղղությունը կապված է մագնիսական դաշտերի հետ։ Ցանկացած էլեկտրական տոկ ստեղծում է մագնիսական դաշտ։ Մարդկային օրգանիզմում էլեկտրական տոկերը մշտապես առաջանում են, այդ թվում՝ նյարդային բջիջների միջև ազդանշանների փոխանցման ժամանակ։
Հետևաբար, ուղեղի աշխատանքն ուղեկցվում է չափազանց թույլ մագնիսական ազդանշաններով։ Եթե սովորենք դրանք գրանցել, կարելի է բառացիորեն հետևել ուղեղի տարբեր հատվածների ակտիվությանը։ Հենց դրանով է զբաղվում մագնիսաէնցեֆալոգրաֆիան, կամ MEG-ը։
Քվանտային սենսորը լսում է ուղեղը
Ժամանակակից քվանտային մագնիսաչափերը կարող են օգտագործել ալկալիական մետաղների գոլորշիներ, օրինակ՝ ցեզիումի կամ ռուբիդիումի ատոմներ՝ գոլորշու տեսքով։ Նման ատոմն ունի էլեկտրոն, որն օժտված է սպինով։ Այն կարելի է պատկերացնել որպես փոքրիկ մագնիս։ Լազերը թույլ է տալիս շարել նման ատոմային «մագնիսների» բազմությունը որոշակի ուղղությամբ։
Երբ կողքին առաջանում է արտաքին մագնիսական դաշտ, ատոմների կողմնորոշումը սկսում է փոխվել։ Դրանք կարծես սկսում են պրեցեսիա անել՝ կատարել բնորոշ պտտական շարժում։ Այս փոփոխությունը կարելի է գրանցել ըստ այն բանի, թե ինչպես է լազերային լույսը փոխազդում ատոմների հետ։ Այսպես ստացվում է շատ զգայուն մագնիսական սենսոր։ Եվ դրա զգայունությունը բավարար է, որպեսզի գրանցվեն թույլ մագնիսական դաշտերը, որոնք առաջանում են ուղեղի աշխատանքի ժամանակ։
Ինչու դա կփոխի ուղեղի հետազոտությունը
Մինչ նման տեխնոլոգիաների հայտնվելը MEG-ը պահանջում էր ծավալուն գերհաղորդիչ տվիչներ, որոնք անհրաժեշտ էր սառեցնել մինչև չափազանց ցածր ջերմաստիճաններ, այդ թվում՝ հեղուկ հելիումի օգտագործմամբ։ Նման համակարգերը թանկ են, բարդ և ունեն ևս մեկ թերություն․ սենսորները չի կարելի տեղադրել պացիենտի գլխին անմիջապես կպած։
Ուղեղի հետազոտման համար դա կրիտիկականորեն կարևոր է։ Նեյրոնային ակտիվությունից եկող մագնիսական ազդանշանները շատ թույլ են և արագ թուլանում են հեռավորության հետ։ Քվանտային մագնիսաչափերը թույլ են տալիս սենսորները դարձնել զգալիորեն ավելի հոծ (կոմպակտ) և տեղադրել դրանք բառացիորեն գլխի մակերևույթից մի քանի միլիմետր հեռավորության վրա։ Հետազոտողներն արդեն ստեղծել են MEG-համակարգերի նախատիպեր, որոնցում տասնյակ փոքր մագնիսաչափեր տեղադրվել են հատուկ սաղավարտում, որը կրկնում է մարդու գլխի ձևը։
Նման մոտեցումը տալիս է միանգամից երկու առավելություն։ Առաջին հերթին, ազդանշանը դառնում է ավելի ուժեղ՝ սենսորի՝ ուղեղին մոտ լինելու շնորհիվ։ Երկրորդ, մարդը հնարավորություն է ստանում շարժվել մի փոքր ավելի ազատ, քան ավանդական համակարգերում։
Սա հատկապես կարևոր կարող է լինել երեխաների հետ աշխատելիս։ Երեխային դժվար է ստիպել երկար ժամանակ պահպանել անշարժություն մեծ բժշկական սկաների 내부ում, իսկ նրա գլխի չափսերը տարբերվում են չափահասի գլխի չափսերից։ Ճկուն սենսորային սաղավարտը ընդունակ է լուծել երկու խնդիրն էլ։
Ինչ կարելի է տեսնել նման համակարգի օգնությամբ
Քվանտային մագնիսաչափերը թույլ են տալիս գրանցել ուղեղի ակտիվության փոփոխությունները չափազանց բարձր ժամանակային ճշգրտությամբ։ Փորձարկումներում հետազոտողները կարող էին հետևել, թե ինչպես է փոխվում շարժողական կեղևի ակտիվությունը, երբ մարդը շարժում է մատները։
Դա տալիս է տարածական և ժամանակային լուծաչափության արտասովոր համադրություն։ Ի տարբերություն էլեկտրաէնցեֆալոգրաֆիայի, որը գրանցում է էլեկտրական ազդանշանները գլխի մակերևույթին գտնվող էլեկտրոդների միջոցով, մագնիսաչափական համակարգերն ընդունակ են ավելի ճշգրիտ տեղորոշել ակտիվության աղբյուրը։ Իսկ ի տարբերություն ֆունկցիոնալ ՄՌՏ-ի, որը լավ ցույց է տալիս, թե ուղեղի որ հատվածներն են ակտիվանում, սակայն աշխատում է համեմատաբար դանդաղ, MEG-ը թույլ է տալիս հետևել ընթացող գործընթացներին գրեթե իրական ժամանակում։
Ուստի քվանտային մագնիսաչափերը դիտարկվում են որպես հեռանկարային գործիք էպիլեպսիայի, նեյրոդեգեներատիվ հիվանդությունների և երեխաների մոտ ուղեղի զարգացման ուսումնասիրման համար։
Ըստ PubMed Central-ի նյութերի։
