مقدمه: جهش کوانتومی در ارتفاع دقیق

سنسورهای کوانتومی سیستم های الکترومکانیکی را با ارائه قابلیت های اندازه گیری بسیار فراتر از محدودیت های کلاسیک تبدیل می کنند.این دستگاه ها از پدیده های کوانتومی بنیادی برای تشخیص تغییرات لحظه ای در میدان مغناطیسی، شتاب، دما و میدان های الکتریکی با حساسیت که می تواند به محدودیت های Heisenberg نزدیک شود، برای صنایعی که به ماشین آلات با کارایی بالا، ناوبری یا تصویربرداری پزشکی متکی هستند، یکپارچه سازی سنسورهای کوانتومی به فضاهای الکترومکانیکی سطوح جدید دقت، و بهره وری را باز می کند.

سیستم های الکترومکانیکی سنتی اغلب به سنسورهای خازن، پازوالکتریک یا مغناطیس که توسط نویز حرارتی و تحمل ساخت محدود می شوند، متکی هستند. سنسورهای کوانتومی، در مقایسه، در رژیم هایی که نوسانات کوانتومی غالب هستند، کار می کنند، آنها را قادر می سازد تا سیگنال ها را در مقیاس نانو، پیکومتر یا درتوکلین حل کنند.

درک سنسور کوانتومی: اصول و پلتفرم ها

تکنولوژی کوانتومی Core Fenna

سنسورهای کوانتومی در سه اصل کلیدی سرمایه گذاری می کنند:

  • سوپرفرم - یک سیستم کوانتومی در چندین حالت به طور همزمان تا اندازه گیری وجود دارد.این اجازه می دهد تا سنسور به یک زمینه فیزیکی با یک ابرشکل منسجم از سطح انرژی پاسخ دهد، افزایش کنتراست اندازه گیری.
  • تقسیم - کور کردن ذرات کوانتومی متعدد می تواند عدم اطمینان آماری را در زیر حد کوانتومی استاندارد کاهش دهد، دستیابی به مقیاس حساسیت با تعداد ذرات درهم تنیده.
  • انسجام عینی - حفظ روابط مرحله در طول زمان، اندازه گیری دقیق بین اقتصاد سنجی زمان، شتاب و یا میدان مغناطیسی را قادر می سازد.

پلتفرم های تکنولوژی پیشرو

در حال حاضر چندین سیستم فیزیکی برای درک سنسور های کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرند:

  • مراکز واکسیناسیون نیتروژن (NV) در الماس - نقص نقطه در الماس که به عنوان یک آهنربای تک فوتون پایدار عمل می کنند، به حساسیت نانوتلا در دمای اتاق دست می یابند و می توانند به سیستم های میکرومکانیکی (MEMS) یکپارچه شوند.
  • تداخل سنج اتم Cold [FLT 1] - اتم های خنک به دمای میکروکلوین در یک ابر حالت حرکت دولت با استفاده از پالس های لیزر قرار می گیرند.
  • دستگاه های مداخله کوانتومی ابررسانی (SQUIDs) - مدارهای مبتنی بر حلقه که شار مغناطیسی را با رزولوشن زنانه اندازه گیری می کنند.به طور گسترده در تصویربرداری پزشکی (magnetoentoenفالوگرافی) و مشخصات مواد استفاده می شود.
  • سنسورهای اتم رادبرگ - اتم ها هیجان زده به اعداد کوانتومی اصلی بالا به دست آوردن لحظات عظیم الکتریکی، قادر به اندازه گیری میدان الکتریکی با حساسیت زیر ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ای.

یکپارچه سازی سنسور های کوانتومی در سیستم های الکترومکانیکی

نظارت بر لرزش و شتاب

در تولید دقیق، رباتیک و نظارت بر سلامت ساختاری، ارتعاشات ناخواسته (عملکرد درجه حرارت) کوانتومی شتاب سنج، مانند کسانی که بر اساس تداخل اتم، پهنای باند و محدوده دینامیکی بالاتر از MEMS افزایش مقیاس سنج مانند FLT 2، a تظاهرات اخیر [F1] یک نقص در پهنای باند سرد [ccelometer] را نشان داد [F4]

تشخیص میدان مغناطیسی High Resolution Field

الکترومکانیکی محرک ها و مراحل دقیق موقعیت یابی اغلب زمینه های مغناطیسی گمراه کننده را ایجاد می کند که با آهنربای های حساس (FLT) کوانتومی بر اساس الماس های NV یا SQUID ها می توانند این زمینه ها را با وضوح فضایی میکرولوپ نقشه برداری کنند، این قابلیت برای (FLT:0 تشخیص امضاهای مغناطیسی دقیقه ای در تصویربرداری مغناطیسی پزشکی (MRI) یا سیستم های تست های غیر مخرب، بدون استفاده از اتصالات فیبر الکتریکی دشوار است.

دمای فوق العاده-Precise Sensing

بسیاری از سیستم های الکترومکانیکی نیاز به مدیریت حرارتی تنگ دارند. سنسورهای دمای کوانتومی با استفاده از Restometry مرکز NV-center یا دماسنج های ابررسانی به دقت میکروکلوینوین بر خلاف ترموز یا آشکارسازهای دمای مقاومتی، این سنسورها از تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند و می توانند در شکاف های کوچک (<10 μm) در داخل یا بلبرینگ ها جاسازی شوند.

میدان الکتریکی برای سیستم های قدرت

سنسورهای اتم ریدبرگ به تازگی برای اندازه گیری میدان های الکتریکی با حساسیت به 1 μV /cm در توزیع برق الکترومکانیکی استفاده شده اند، چنین سنسور ها می توانند ترشح جزئی یا تخریب عایق را قبل از خرابی فاجعه بار تشخیص دهند (DC تا صدها گیگاوات) آنها را برای تجزیه و تحلیل موج AC و ترانس بدون نیاز به اتصال خازن مناسب می کند.

مزایای کلیدی در مورد سنسورهای کلاسیک

  • محدودیت های حساسیت بنیادین [FLT 1] - سنسورهای کلاسیک با سر و صدا حرارتی و محدودیت کوانتومی استاندارد محدود می شوند. سنسورهای کوانتومی می توانند از این محدودیت ها از طریق درهم تنیده شدن و حالت های فشرده، دستیابی به اندازه گیری های بهینه اطلاعات و یا تئوری فراتر بروند.
  • کالیبراسیون بی وقفه - بسیاری از سنسورهای کوانتومی به انتقال اتمی یا حالت جامد که واکنش های تکراری و بدون حرکت تولید می کنند، متکی هستند.این نیاز به تجدید نظر مکرر، هزینه عمده در سیستم های صنعتی را از بین می برد.
  • مسیر گردش - سنسورهای سیلیکون مبتنی بر الماس و تله های اتم سرد تراشه در حال حاضر با استفاده از فرآیندهای نیمه هادی ساخته شده اند، امکان ادغام سنسورهای کوانتومی به طور مستقیم بر بستر سیلیکون در کنار MEMS و ASIC.
  • اندازه گیری چند منظوره - یک پلت فرم کوانتومی منفرد (به عنوان مثال، مرکز NV) می تواند به طور همزمان میدان مغناطیسی، دما و فشار را با تجزیه و تحلیل درجه های مختلف آزادی حالت چرخش، کاهش تعداد سنسور و پیچیدگی سیستم اندازه گیری کند.

چالش های فعلی و راه حل های مهندسی

محیط زیست Noise و Isolation

سنسورهای کوانتومی به طور کامل به اختلالات خارجی حساس هستند - تحریک، سر و صدا مغناطیسی و نوسانات دما.

  • سیم پیچ های جبران خسارت کنترل شده (سپر فعال)
  • مراحل انزوای ارتعاشی (به عنوان مثال، مرطوب کننده های هوا، کوه های مرطوب غیرفعال).
  • تثبیت حرارتی در میکروکلوین برای سیستم های سرد اتم

پیچیدگی و هزینه

سنسورهای کوانتومی اولیه نیاز به سیستم های بزرگ لیزر و خنک کننده های مسوژنیک دارند.پیشرفت های اخیر در فتوکپی و تکنولوژی میکرو-نورال نیمکت این اجزا را به مقیاس تراشه کاهش داده اند، به عنوان مثال، تداخلات سرد اتم در حال حاضر در داخل یک جعبه کفش مناسب هستند، و آهنرباهای NV با لیزر استاندارد کار می کنند در حالی که هنوز هم گران قیمت هستند.

Readout Bandwidth

پهنای باند Sensing محدودیت برای برخی از روش های کوانتومی است. سنسورهای مرکز NV معمولا به حساسیت مفید فقط تا چند صد کیلوهرتز دست می یابند، در حالی که سنسورهای کلاسیک پازوالکتریک می توانند به مگا هرتز برسند.تحقیقات به موج مداوم (CW) خواندن و تشخیص همودین پهنای باند گسترش پهنای باند، و سیستم های هیبریدی است که مخلوط و سنسورهای کلاسیک در حال ظهور برای پوشش هر دو حساسیت بالا و نیازهای پهنای باند بالا.

چشم انداز آینده: از آزمایشگاه تا طبقه کارخانه

نقشه راه برای سنسورهای کوانتومی در سیستم های الکترومکانیکی شامل سه مرحله است:

  1. نزدیک مدت (1 تا 3 سال): پذیرش Niche در برنامه های با ارزش بالا - بلبرینگ های بحرانی در موتورهای هواپیما، مراحل دقیق برای لیتوگرافی نیمه هادی و کالیبراسیون دستگاه پزشکی.
  2. [3 ] Mid-term (3-7 سال): ادغام گسترده در ماشین آلات صنعتی به لطف بسته بندی مقیاس تراشه و رابط های استاندارد (به عنوان مثال I2C، اشپیگل) دمای مرکز NV و سنسورهای مغناطیسی به طور مستقیم به درایو و پیچ و خم و خم های حرکتی جاسازی می شوند.
  3. ] بلند مدت (7 تا 15 سال: [ شبکه های سنسور کوانتومی توزیع شده در کارخانه های هوشمند دوقلوهای دیجیتال زمان واقعی را با وفاداری سطح جزء فعال می کند. IBM پیش بینی می کند کوانتومی به کمک نظارت بر وضعیت کمک کوانتومی که پیش بینی شکست در هفته های قبل، به طور چشمگیری کاهش خرابی.

سرمایه گذاری های دولتی، مانند طرح ملی کوانتومی ایالات متحده و پرچم کوانتومی اروپا، تسریع تجاری سازی می کنند.یافته ها در حال حاضر خدمات رسوبی NV-diamond را ارائه می دهند و چندین استارت آپ ماژول های سنسور کوانتومی را تولید می کنند، زیرا این تکنولوژی ها بالغ هستند، مرز بین سنجش کلاسیک و کوانتومی محو خواهد شد و پاکت عملکرد سیستم های الکترومکانیکی به همین ترتیب گسترش خواهد یافت.

به طور خلاصه، سنسورهای کوانتومی یک کنجکاوی دور نیستند – آنها در حال تبدیل شدن به ابزارهای عملی برای افزایش دقت، قابلیت اطمینان و کارایی در سیستم های الکترومکانیکی هستند.با درک فیزیک زمینه ای، مهندسی در اطراف محدودیت های فعلی و در آغوش گرفتن استراتژی های یکپارچه سازی نوآورانه، مهندسان می توانند از قبل شروع به استفاده از اندازه گیری های کوانتومی برای دستیابی به عملکرد که قبلا غیر قابل دسترس بود.