Czujniki kwantowe to bardzo precyzyjne przyrządy pomiarowe, których działanie opiera się na efektach kwantowych
W 2022 wielkość światowego rynku kwantowegosensorów przekroczyła 278 miliardów dolarów i według analityków w ciągu najbliższych 10 lat powinna wzrosnąć jeszcze trzykrotnie. Takie urządzenia są wykorzystywane w motoryzacji, służbie zdrowia, przemyśle, geologii, transporcie, inżynierii komputerowej i wielu innych dziedzinach. Na przykład grawimetr kwantowy, opracowany przez Uniwersytet w Birmingham, mógłby pomóc geologom znaleźć złoża ropy naftowej i innych minerałów. Zasada jego działania opiera się na „zimnych” atomach: ich temperatura spada do wartości bliskich zeru absolutnemu, co daje im możliwość rejestrowania nawet subtelnych zmian grawitacji. Pozwala to wykryć niebezpieczne puste przestrzenie pod ziemią, które mogą doprowadzić do sytuacji awaryjnej w kopalni. W przyszłości grawimetr może znaleźć zastosowanie w budownictwie oraz do monitorowania transportu ładunków.
Ale naprawdę nieoceniony wkład kwantówzmysły mogą wnieść do medycyny. Dzięki swojej czułości czujniki są w stanie wychwycić pierwsze sygnały choroby jeszcze zanim zostaną one „wyłapane” innymi metodami diagnostycznymi. A wykrycie choroby na wczesnym etapie jest jednym z głównych czynników skutecznego leczenia.
Sygnały magnetyczne
Jeden z głównych obszarów zastosowań kwantówczujniki w medycynie — magnetoencefalografia. Ta procedura pozwala badać stan mózgu poprzez pomiar pól magnetycznych, które powstają podczas jego aktywności elektrycznej.
Najnowocześniejsze metody diagnostyczneChoroby mózgu są rejestrowane nie za pomocą elementów magnetycznych, ale elektrycznych - na przykład elektroencefalografia działa na tej zasadzie. Jednak ta procedura nie zapewnia pełnych informacji: czujniki muszą wychwycić sygnał przez czaszkę i tkankę, a organizm ludzki jest słabym przewodnikiem pól elektrycznych.
W przypadku pól magnetycznych wszystko jest inne:sygnał magnetyczny z części mózgu przechodzi przez tkanki w niezmienionym stanie, dzięki czemu możemy uzyskać z niego więcej danych. Trudność polega na tym, że pola magnetyczne naszego mózgu są trudne do uchwycenia, ponieważ ich moc jest niezwykle mała: 10 miliardów razy mniejsza niż na Ziemi. Wymaga to bardzo czułych urządzeń, takich jak czujniki kwantowe. Dzięki wychwytywaniu tych małych pól magnetycznych czujniki umożliwiają diagnozowanie różnych guzów mózgu, zespołu Alzheimera czy epilepsji.
Tak więc początek procesu epileptycznego zaczyna się odmały obszar w korze mózgowej. Przy pomocy EEG i MRI bardzo trudno jest znaleźć ognisko, ale czujniki kwantowe są w stanie wykonać takie zadanie. Jest to szczególnie ważne, gdy pacjent ma zostać poddany zabiegowi chirurgicznemu i konieczne jest jak najdokładniejsze znalezienie obszaru do usunięcia.
Квантовые сенсоры для сверхчувствительного magnetoencefalografy już istnieją, a w 2021 roku zespół QLU wraz z naukowcami ze Skoltech i Wyższej Szkoły Ekonomicznej Państwowego Uniwersytetu Badawczego opracował ich nowy typ – pierwszy na świecie ultraczuły magnetometr na półprzewodniku, który może pracować w temperaturze pokojowej. Rok później QLU pozyskało 33 miliony rubli na inwestycje w skalowanie systemu i stworzenie pierwszego prototypu laboratoryjnego.
Dostawa adresu
Kolejna dziedzina medycyny, gdzie tylko mogąwykorzystania czujników kwantowych w diagnostyce i terapii chorób onkologicznych. QLU pracuje obecnie nad jedną z tych metod wspólnie z laboratorium materiałowym Gleba Sukhorukova. W laboratorium powstają mikrokapsułki – rodzaj pojemników, które można napełnić lekiem i wprowadzić do krwioobiegu. Dzięki specjalnej powłoce biologicznej można je zlokalizować w obszarach zapalnych i onkologicznych. Chcemy w tych pojemnikach umieścić nanocząstki magnetyczne – wtedy za pomocą czujników kwantowych będzie można zobaczyć, gdzie te cząstki się znajdują i dzięki temu zidentyfikować guz we wczesnym stadium, a to znacznie zwiększy szanse na pomyślny wynik choroby. Czujniki udowodniły już swoją skuteczność w śledzeniu cząstek magnetycznych: ostatnio w QLU pomyślnie przetestowano na myszach laboratoryjnych, którym wstrzyknięto nanocząsteczki i udało się zaobserwować ich rozmieszczenie w organizmie.
Ta metoda może być przydatna nie tylko dladiagnostyka, ale także terapia. Dlatego powikłania w onkologii często wynikają z konsekwencji chemioterapii, która wykorzystuje bardzo toksyczne substancje. Jeśli nanocząstki są powiązane z kapsułką zawierającą lek, można go zdalnie wstrzyknąć do guza. Kiedy kapsułka przyczepi się do komórek nowotworowych, zobaczymy to, otworzymy pojemnik za pomocą skupionych ultradźwięków lub pola magnetycznego i w ten sposób uwolnimy lek. W ten sposób będzie skierowany do komórek nowotworowych i zadziałał na nie precyzyjnie, nie zatruwając przy tym całego organizmu.
Od rehabilitacji do Internetu rzeczy
Potencjał wykrywania kwantowego obejmujeogromne możliwości jego zastosowania. Tym samym czujniki kwantowe mogą pomóc w rehabilitacji pacjentów po udarze mózgu. Aby zrekompensować funkcje, za które odpowiadały martwe obszary kory mózgowej, np. zdolność do kontrolowania kończyn, konieczna jest aktywacja nowych obszarów. I tutaj dużą rolę odgrywają bardzo czułe czujniki. Przykładowo osoba wyobraża sobie, że porusza ręką i w tym momencie aktywujemy kończynę za pomocą specjalnego urządzenia. Mózg zaczyna tworzyć nowe połączenia nerwowe. W przypadku konwencjonalnej elektroencefalografii jest to bardzo długie i trudne zadanie, ale w przypadku czujników kwantowych staje się to wykonalne. W przyszłości połączenie między sygnałami mózgowymi a ruchami kończyn będzie można wykorzystać do sterowania protezami.
Kolejny obiecujący obszar kwantowysensoryka - monitorowanie procesów biologicznych wewnątrz komórki. Aby to zrobić, musisz wprowadzić czujnik do samej komórki. Aby jednak nie zaszkodzić jego pracy, czujnik musi mieć mikroskopijne rozmiary, a niektóre typy czujników kwantowych mają takie wymiary.
Poza medycyną czujniki kwantowe mogą znaleźć swoje własnezastosowanie w przemysłowym Internecie rzeczy, w nowej generacji technologii nawigacyjnych, badaniu procesów zachodzących w skorupie ziemskiej, np. w monitorowaniu trzęsień ziemi, oraz w wielu innych dziedzinach.
Czytaj więcej:
Skarb z 1000 monet został przypadkowo znaleziony na farmie: co mogli kupić
Nazwany witaminą, która chroni mózg przed demencją
Okazało się, którzy mężczyźni są najbardziej płodni: ich nasienie jest o 50% lepsze niż reszta