Kvantsensorer är högprecisionsmätinstrument vars funktion är baserad på kvanteffekterna
År 2022, volymen av den globala marknaden för kvantsensorer översteg 278 miljarder dollar och, enligt analytiker, bör de växa ytterligare tre gånger under de kommande 10 åren. Sådana enheter används inom fordonsindustrin, hälsovård, industri, geologi, transport, datorteknik och många andra områden. Till exempel kan en kvantgravimeter, utvecklad av University of Birmingham, hjälpa geologer att hitta olja och andra mineralfyndigheter. Principen för dess funktion är baserad på "kalla" atomer: deras temperatur sjunker till värden nära absolut noll, vilket ger dem förmågan att registrera även subtila förändringar i gravitationen. Detta gör att du kan upptäcka farliga tomrum under jorden, vilket kan leda till en nödsituation i gruvan. Gravimetern kan i framtiden användas i konstruktion och för att övervaka godstransporter.
Men det verkligt ovärderliga bidraget från kvantsensoriska kan föra till medicin. På grund av sin känslighet kan sensorerna fånga de första signalerna om sjukdomen redan innan de kan "fångas" av andra diagnostiska metoder. Och upptäckt av sjukdomen i ett tidigt skede är en av huvudfaktorerna för framgångsrik behandling.
Magnetiska signaler
Ett av de huvudsakliga tillämpningsområdena för kvantumsensorer inom medicin — magnetoencefalografi. Denna procedur låter dig studera hjärnans tillstånd genom att mäta de magnetiska fält som uppstår under dess elektriska aktivitet.
De flesta moderna diagnostiska metoderHjärnsjukdomar registreras inte av magnetiska, utan av elektriska komponenter - till exempel fungerar elektroencefalografi på denna princip. Men denna procedur ger inte fullständig information: sensorerna måste fånga upp signalen genom skallen och vävnaden, och människokroppen är en dålig ledare av elektriska fält.
Med magnetfält är allt annorlunda:en magnetisk signal från en del av hjärnan passerar genom vävnaderna i oförändrat tillstånd, så att vi kan få mer data från den. Svårigheten är att magnetfälten i vår hjärna är svåra att fånga, eftersom deras kraft är extremt liten: 10 miljarder gånger mindre än jordens. Detta kräver mycket känsliga enheter, såsom kvantsensorer. Genom att fånga dessa små magnetfält gör sensorerna det möjligt att diagnostisera olika hjärntumörer, Alzheimers syndrom eller epilepsi.
Så, början av den epileptiska processen börjar medlitet område i hjärnbarken. Med hjälp av EEG och MRI är det mycket svårt att hitta fokus, men kvantsensorer klarar en sådan uppgift. Detta är särskilt viktigt när patienten ska genomgå operation, och det är nödvändigt att hitta det område som ska tas bort så noggrant som möjligt.
Kvantsensorer för ultrakänsligamagnetoencefalografer finns redan, och 2021 utvecklade QLU-teamet med forskare från Skoltech och National Research University Higher School of Economics sin nya typ - världens första ultrakänsliga magnetometer i fast tillstånd som kan arbeta vid rumstemperatur. Ett år senare lockade QLU investeringar på 33 miljoner rubel för att skala systemet och skapa den första laboratorieprototypen.
Adressleverans
Ett annat område av medicin där de kananvända kvantsensorer för diagnos och terapi av onkologiska sjukdomar. QLU arbetar för närvarande med en av dessa metoder tillsammans med Gleb Sukhorukovs materiallaboratorium. Laboratoriet skapar mikrokapslar - ett slags behållare som kan fyllas med ett läkemedel och föras in i blodomloppet. På grund av en speciell biologisk beläggning kan de lokaliseras i områden med inflammation och onkologi. Vi vill placera magnetiska nanopartiklar i dessa behållare – då kommer man med hjälp av kvantsensorer att kunna se var dessa partiklar är lokaliserade, och därigenom identifiera tumören i ett tidigt skede, och det kommer att avsevärt öka chanserna för ett lyckat utfall. av sjukdomen. Sensorer har redan bevisat sin effektivitet för att spåra magnetiska partiklar: nyligen i QLU testades framgångsrikt på laboratoriemöss som injicerades med nanopartiklar och kunde se deras fördelning i hela kroppen.
Denna metod kan vara användbar inte bara fördiagnostik, men också i terapi. Således uppstår ofta komplikationer inom onkologi från konsekvenserna av kemoterapi, som använder mycket giftiga ämnen. Om nanopartiklar är förknippade med en kapsel som innehåller ett läkemedel, kan den injiceras på distans i tumören. När kapseln fäster på cancercellerna kommer vi att se detta, öppna behållaren med fokuserat ultraljud eller ett magnetfält och därigenom frigöra läkemedlet. På så sätt kommer den att riktas mot cancerceller och agera på dem exakt, utan att förgifta hela kroppen.
Från rehabilitering till Internet of things
Potentialen för kvantavkänning inkluderarenorma möjligheter för dess tillämpning. Kvantsensorer kan således hjälpa till vid rehabilitering av patienter som har drabbats av en stroke. För att kompensera för de funktioner som de döda områdena i hjärnbarken var ansvariga för, till exempel förmågan att kontrollera extremiteterna, behöver nya områden aktiveras. Och här spelar högkänsliga sensorer en stor roll. Till exempel föreställer sig en person att han rör sin arm, och vid denna tid aktiverar vi lemmen med en speciell anordning. Hjärnan börjar bygga nya neurala förbindelser. För konventionell elektroencefalografi är detta en mycket lång och svår uppgift, men med kvantsensorer blir det genomförbart. Och i framtiden kan kopplingen mellan hjärnans signaler och lemrörelser användas för att kontrollera proteser.
Ett annat lovande kvantområdesensorik - övervakning av biologiska processer inuti cellen. För att göra detta måste du införa en sensor i själva cellen. Men för att inte skada dess arbete måste sensorn vara mikroskopisk i storlek, och vissa typer av kvantsensorer har sådana dimensioner.
Utanför medicin kan kvantsensorer hitta sina egnatillämpning i det industriella Internet of things, i den nya generationen av navigationsteknologier, studiet av processer i jordskorpan, till exempel jordbävningsövervakning och på många andra områden.
Läs mer:
En skatt med 1 000 mynt hittades av misstag på en gård: vad kunde de köpa
Döpt till ett vitamin som skyddar hjärnan från demens
Det visade sig vilka män som är mest fertila: deras spermier är 50 % bättre än resten