Квантові сенсори – високоточні вимірювальні прилади, робота яких побудована на ефектах квантової.
У 2022 році обсяг світового ринку квантових.сенсорів перевищив $278 млрд і, за прогнозами аналітиків, за наступні 10 років має зрости ще втричі. Такі пристрої використовуються в автомобілебудуванні, охороні здоров'я, промисловості, геології, транспортної галузі, комп'ютерної розробки та багатьох інших галузях. Наприклад, квантовий гравіметр – розробка Бірмінгемського університету – може допомогти геологам у пошуку родовищ нафти та інших корисних копалин. Принцип його дії заснований на «холодних» атомах: їхня температура знижується до показників, близьких до абсолютного нуля, що дає їм здатність фіксувати навіть ледь помітні зміни сили тяжіння. Це дозволяє виявляти під землею небезпечні порожнечі, які можуть спричинити аварійну ситуацію в шахті. У перспективі гравіметр може використовуватися для будівництва та моніторингу вантажоперевезень.
Але по-справжньому безцінний вклад квантовасенсорика може привнести до медицини. Завдяки своїй чутливості датчики здатні зафіксувати перші сигнали захворювання ще до того, як їх можна буде зловити іншими методами діагностики. А виявлення хвороби на ранній стадії – один із головних факторів успішного лікування.
Магнітні сигнали
Один з основних напрямків застосування квантовихсенсорів у медицині - магнітоенцефалографія. Ця процедура дозволяє вивчати стан мозку через вимірювання магнітних полів, що виникають під час його електричної активності.
Більшість сучасних методів діагностикизахворювань мозку фіксують не магнітні, а електричні компоненти, наприклад, за цим принципом працює електроенцефалографія. Але ця процедура не дає повної інформації: датчикам доводиться ловити сигнал крізь череп та тканини, а тіло людини – поганий провідник електричних полів.
З магнітними полями все інакше:магнітний сигнал з ділянки мозку проходить крізь тканини в незмінному стані, тому ми можемо отримати від нього більший обсяг даних. Складність у тому, що магнітні поля нашого мозку складно вловити, оскільки їхня потужність вкрай мала: у 10 млрд разів менша, ніж у Землі. Для цього потрібні дуже чутливі прилади, такі як квантові сенсори. Фіксуючи ці маленькі магнітні поля, сенсори дозволяють діагностувати різні мозкові пухлини, синдром Альцгеймера або епілепсію.
Так, запуск епілептичного процесу починається зкрихітної ділянки на корі мозку. За допомогою ЕЕГ та МРТ знайти вогнище дуже складно, зате квантовим сенсорам таке завдання цілком під силу. Це особливо важливо, коли пацієнт має операцію, і потрібно максимально точно знайти ділянку, яку потрібно видалити.
Квантові сенсори для надчутливогомагнітоенцефалографа вже існують, а в 2021 році команда QLU з вченими зі Сколтеха та НДУ ВШЕ розробила їх новий тип — перший у світі твердотільний надчутливий магнітометр, який може працювати за кімнатної температури. Роком пізніше QLU залучила 33 млн рублів інвестицій на масштабування системи та створення першого лабораторного прототипу.
Адресна доставка
Ще одна область медицини, де можутьвикористовуватися квантові сенсори, - діагностика та терапія онкологічних захворювань. Над одним із таких методів QLU зараз працює разом із лабораторією матеріалів Гліба Сухорукова. Лабораторія створює мікрокапсули - свого роду контейнери, які можна наповнити лікарським препаратом та ввести його в кровоносну систему. За рахунок спеціального біологічного покриття вони можуть локалізуватися у зонах запалень та онкології. Ми хочемо помістити в ці контейнери магнітні наночастинки — тоді за допомогою квантових сенсорів можна буде побачити, де ці частинки локалізувалися, і цим виявити пухлину на ранньому етапі, а це в рази підвищить шанси на успішний результат хвороби. Сенсори вже підтвердили свою ефективність для відстеження магнітних частинок: нещодавно QLU успішно пройшли випробування на лабораторних мишах, яким ввели наночастинки та змогли побачити їх розподіл по тілу.
Цей метод може бути корисним не тільки длядіагностики, а й у терапії. Так, ускладнення в онкології часто походять від наслідків хіміотерапії, де використовуються дуже токсичні речовини. Якщо ж наночастки зв'язати з капсулою, що містить ліки, його можна буде віддалено ввести пухлину. Коли капсула приєднається до ракових клітин, ми побачимо це, відкриємо контейнер за допомогою сфокусованого ультразвуку або впливу магнітного поля, і тим самим вивільнимо ліки. Так воно буде адресно доставлятися до ракових клітин і впливати на них точково, не отруюючи весь організм.
Від реабілітації до інтернету речей
Потенціал квантової сенсорики містить у собівеличезні можливості її застосування. Так, квантові рецептори можуть допомогти в реабілітації пацієнтів, які перенесли інсульт. Щоб компенсувати функції, за які відповідали загиблі зони мозкової кори, наприклад, здатність керувати кінцівками, потрібно активувати нові ділянки. І тут велику роль відіграють високочутливі датчики. Наприклад, людина уявляє, що рухає рукою, а ми в цей час активуємо кінцівку за допомогою особливого пристрою. Мозок починає вибудовувати нові нейронні зв'язки. Для звичайної електроенцефалографії це дуже довге і складне завдання, зате з квантовими датчиками вона стає здійсненною. А в майбутньому зв'язок між сигналами мозку і рухом кінцівок може використовуватися в управлінні протезами.
Інший перспективний напрямок квантовоїсенсорики – моніторинг біологічних процесів усередині клітини. Для цього потрібно впровадити датчик у саму клітку. Але щоб не нашкодити її роботі, датчик має бути мікроскопічного розміру, і такі габарити мають деякі види квантових сенсорів.
Поза медициною квантові сенсори можуть знайти своєзастосування в промисловому інтернеті речей, у новому поколінні технологій навігації, вивчення процесів у земній корі, наприклад, моніторингу землетрусів та у багатьох інших сферах.
Читати далі:
Скарб із 1 000 монетами випадково знайшли на фермі: що на них можна було купити
Названий вітамін, який захищає мозок від недоумства
З'ясувалося, які чоловіки найбільш плідні: їхня сперма на 50% краща, ніж у інших