Квантовая физика долгое время казалась областью, существующей где-то за пределами повседневного мира. Суперпозиция, запутанность и другие эффекты микромира звучали скорее как фундаментальные загадки природы, чем как основа для практических технологий. Но сегодня именно эти свойства начинают превращаться в инструменты, способные измерять то, что обычным приборам увидеть чрезвычайно трудно.

Речь идет о квантовых сенсорах — устройствах, использующих чувствительность атомов, электронов и других квантовых систем к изменениям окружающей среды. Они позволяют с высокой точностью измерять магнитные и гравитационные поля, а значит, получать информацию о скрытых объектах, структуре земных пород и даже электрической активности человеческого мозга.

Увидеть то, что скрыто под землей

Представим строительную площадку, где еще до начала земляных работ необходимо понять, что находится под поверхностью. Там могут проходить трубы, находиться старые фундаменты или другие объекты.

Обычные методы геофизической разведки имеют ограничения. Например, георадары работают не во всех типах грунта, а некоторые подземные объекты становятся практически недоступными для обнаружения на большой глубине. Квантовые гравиметры предлагают принципиально другой подход. Они измеряют чрезвычайно малые изменения гравитационного поля.

Гравитация зависит от распределения массы. Если под землей находится объект, плотность которого отличается от окружающей породы, он немного изменяет локальное гравитационное поле. Пустота, тоннель или участок с менее плотным материалом, например, создают крошечное уменьшение силы тяжести. Оно настолько мало, что уловить его обычным прибором непросто, но для квантового сенсора такая разница может стать измеримым сигналом.

Как атомы превращаются в гравиметр

В основе некоторых таких приборов лежат облака сверххолодных атомов, например рубидия. Их помещают в вакуумную камеру и с помощью лазеров и магнитных полей удерживают в строго контролируемом состоянии. Здесь и появляется квантовая механика. Лазер может перевести атом в состояние суперпозиции. В таком состоянии квантовая система описывается сразу несколькими возможными состояниями до момента измерения. Исследователи используют это свойство, чтобы сравнить, как атомы ведут себя на разных высотах.

Атомное облако фактически разделяют на две квантовые компоненты. Одна из них оказывается немного выше другой. Поскольку гравитационный потенциал на разных высотах различается, квантовые состояния начинают эволюционировать с разной скоростью. Когда две компоненты снова объединяются, они интерферируют друг с другом. По характеру этой интерференции ученые могут определить, насколько изменилось гравитационное поле. Это напоминает очень точные квантовые часы: вместо непосредственного измерения силы тяжести прибор отслеживает, как гравитация изменила квантовое состояние атомов.

Почему нужны два облака атомов

Одна из главных проблем подобных измерений — вибрации. Если прибор стоит на поверхности Земли, его могут раскачивать движение транспорта, работающая техника, шаги людей и даже естественные колебания грунта. Поэтому исследователи используют гравитационные градиометры. Они одновременно измеряют гравитационное поле в двух точках, расположенных на разной высоте. Общие вибрации влияют на оба измерения, и их можно частично исключить, оставив разницу, связанную именно с распределением массы под землей.

В перспективе такие приборы смогут искать подземные трубы и пустоты, исследовать геологические структуры, обнаруживать водоносные горизонты, помогать в поиске минеральных ресурсов и наблюдать за изменениями вулканических систем. Есть и еще одно потенциальное применение — археология. Квантовый гравиметр теоретически может обнаруживать скрытые под землей сооружения, не требуя раскопок.

От земной коры — к человеческому мозгу

Но гравитация — лишь одна из величин, которую можно измерять квантовыми технологиями. Не менее интересное направление связано с магнитными полями. Любой электрический ток создает магнитное поле. В человеческом организме электрические токи постоянно возникают, в том числе при передаче сигналов между нервными клетками.

Следовательно, работа мозга сопровождается чрезвычайно слабыми магнитными сигналами. Если научиться их регистрировать, можно буквально наблюдать за активностью различных участков мозга. Именно этим занимается магнитоэнцефалография, или MEG.

Квантовый сенсор слышит мозг

Современные квантовые магнитометры могут использовать пары щелочных металлов — например, атомы цезия или рубидия в виде пара. У такого атома есть электрон, обладающий спином. Его можно представить как крошечный магнит. Лазер позволяет выстроить множество таких атомных «магнитиков» в определенном направлении.

Когда рядом возникает внешнее магнитное поле, ориентация атомов начинает изменяться. Они словно начинают прецессировать — совершать характерное вращательное движение. Это изменение можно зарегистрировать по тому, как взаимодействует с атомами лазерный свет. Так получается очень чувствительный магнитный сенсор. И его чувствительности достаточно, чтобы регистрировать слабые магнитные поля, возникающие при работе мозга.

Почему это может изменить исследование мозга

До появления подобных технологий MEG требовала громоздких сверхпроводящих датчиков, которые необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур, в том числе с использованием жидкого гелия. Такие системы дороги, сложны и имеют еще один недостаток: сенсоры нельзя расположить вплотную к голове пациента.

Для исследования мозга это критически важно. Магнитные сигналы от нейронной активности очень слабы и быстро ослабевают с расстоянием. Квантовые магнитометры позволяют сделать сенсоры гораздо компактнее и разместить их буквально в нескольких миллиметрах от поверхности головы. Исследователи уже создавали прототипы MEG-систем, в которых десятки небольших магнитометров устанавливались в специальный шлем, повторяющий форму головы человека.

Такой подход дает сразу два преимущества. Во-первых, сигнал становится сильнее благодаря близости сенсора к мозгу. Во-вторых, человек получает возможность двигаться немного свободнее, чем в традиционных системах.

Особенно важным это может оказаться при работе с детьми. Ребенка сложно заставить долго сохранять неподвижность внутри большого медицинского сканера, а размеры его головы отличаются от размеров головы взрослого. Гибкий сенсорный шлем способен решить обе проблемы.

Что можно увидеть с помощью такой системы

Квантовые магнитометры позволяют регистрировать изменения активности мозга с очень высокой временной точностью. В экспериментах исследователи могли наблюдать, как меняется активность моторной коры, когда человек двигает пальцами.

Это дает необычное сочетание пространственного и временного разрешения. В отличие от электроэнцефалографии, которая регистрирует электрические сигналы через электроды на поверхности головы, магнитометрические системы способны точнее локализовать источник активности. А в отличие от функциональной МРТ, которая хорошо показывает, какие участки мозга активируются, но работает относительно медленно, MEG позволяет отслеживать происходящие процессы практически в реальном времени.

Поэтому квантовые магнитометры рассматриваются как перспективный инструмент для изучения эпилепсии, нейродегенеративных заболеваний и развития мозга у детей. По материалам PubMed Centre.