Sensorer blir stadig viktigere i hverdagen din. Eksempler p? sensorer som du omgir deg med og som du kanskje ikke tenker s? mye p? til vanlig, er sensorer i bilen din som varsler om du havner over i feil kj?rebane eller som leser fartsskiltene langs veien, detektorer som oppdager at tyver beveger seg rundt hjemmet ditt og EKG-m?linger som legen bruker for ? sjekke den elektriske aktiviteten i hjertet ditt. For ? nevne noe.
Disse sensorene vil om f? ?r h?res gammeldagse ut. Takket v?re kvanteteknologien kan fremtidens sensorer bli sv?rt mye bedre.
– Den teknologien som er kommet lengst innen kvanteteknologien, er kvantesensorer. Mulighetene er mange. Vi ?nsker langt mer f?lsomme sensorer enn det som allerede fins eller sensorer som det ikke er mulig ? lage i dag, forteller professor Lasse Vines p? Fysisk institutt ved UiO.
Det fins allerede mange forskjellige typer kvantesensorer.
– Felles for dem alle er at de har en f?lsomhet som vi aldri tidligere har v?rt i n?rheten av, sier professor Susanne Viefers p? Fysisk institutt.
– Kvantesensorer kan m?le alle slags fysiske og kjemiske st?rrelser med et presisjonsniv? som man nesten ikke kan forestille seg, sa konserndirekt?r Trond Runar Hagen i SINTEF Digital p? NHOs kvanteseminar i h?st.
Professor Morten Hjorth-Jensen p? Fysisk institutt har ogs? store forh?pninger til fremtidens kvantesensorer.
– Jeg ser for meg betydelige forbedringer av dagens m?leutstyr, sier Morten Hjorth-Jensen.
Han mener kvantesensorer har enda en fordel. De slites mindre ned over tid enn dagens sensorer.
– Kvantesensorer holder seg lenger, fordi det blir mindre varmeutvikling, sier Hjorth-Jensen.
– Med kvantesensorer kan vi utnytte at de er sv?rt sensitive for det som skjer rundt dem. Vi kan bruke dem til ? m?le slike ting som trykk, temperatur, elektromagnetiske felt og gravitasjon med bedre presisjon enn f?r, hurtigere enn f?r og kanskje under mer ekstreme forhold, fremhever forsker Marianne Etzelmüller Bathen p? Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved UiO.
Kvantesensorer vil kunne brukes til ? m?le trykk, temperatur, elektromagnetiske felt og gravitasjon med ekstrem presisjon.
Gravitasjon
En av de mange mulighetene med kvantesensorer er hyperf?lsomme gravitasjonsm?linger.
Hvis massen hadde v?rt lik over hele Jorda, ville gravitasjonen ha v?rt den samme overalt. Men slik er det ikke.
N?yaktigheten til kvantesensorene er s? stor at endringen av gravitasjonskraften vil kunne m?les om du klipper av litt av h?ret ditt.
– Hvis det er en tunnel rett under bakken, vil gravitasjonskraften v?re mikroskopisk mindre enn om tunnelen ikke var der. Her er det ?penbart milit?re muligheter, slik som ? kunne oppdage tunneler under bakken. Dette er fantastisk kult. Man bruker en kvantetilstand p? noen f? atomer og kan m?le om man st?r over en tunnel. Det er sykt, sier Susanne Viefers.
Gravitasjonsm?linger kan ogs? brukes til ? sjekke om bakken best?r av lette eller tyngre mineraler, ettersom gravitasjonskraften er st?rre i omr?der med tyngre mineraler. Slike sensorer vil ogs? kunne oppdage arkeologiske funn under bakken. Mulighetene er mange.
Atomur
En annen mulighet er hypern?yaktige atomur.
– Her baserer klokken seg p? m?linger av elektroner mellom to elektronbaner rundt et atom. N?r ett elektron faller tilbake til en elektronbane n?rmere atom kjernen, gir det fra seg et foton. Dette fotonet har en s? presis frekvens, at vi kan f? atomur med en n?yaktighet p? bare ett sekunds feil i l?pet av universets levetid, sier Susanne Viefers.
Atomur vil f? en n?yaktighet p? bare ett sekunds feil i l?pet av universets levetid.
Atomurene kan brukes til ? navigere med.
– Ved hjelp av atomur kan man m?le gravitasjonsfelt med en sv?rt stor n?yaktighet. Man kan lage sensorer som kan se ned i jorda f?r man lager en byggeplass, sier professor Jan W. Thomsen, lederen for Quantum Computing Programme i Novo Nordisk Foundation i K?benhavn.
– Med en meget n?yaktig tidsangivelse skal man i stor grad kunne vite hvor man er, sier Kenneth Ruud, direkt?ren p? Forsvarets forskningsinstitutt.
– Atomurene skal kunne brukes sammen med kvantesensorer som m?ler akselerasjon, gravitasjonsfelt og magnetfelt.
Ja! Du leste ordet magnetfelt.
– Magnetiske sensorer kan ogs? brukes til ? m?le lavastr?mmer og kommende jordskjelv, sier Jan W. Thomsen.
En annen mulighet er ? bruke kvantesensorer til ? m?le jordrotasjonen.
– Det viser seg faktisk at n?r l?vet faller av tr?rne om h?sten, roterer jorden litt fortere, akkurat som en kunstl?perske roterer raskere n?r hun drar inn armene sine, forteller forskningsdekan Bj?rn Jamtveit p? Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet.
Milit?re anvendelser
– Man skal ikke v?re s?rlig kreativ for ? forst? at denne teknologien kan brukes av Forsvaret, sa Trond Runar Hagen p? h?stens NHO-seminar om kvanteteknologi.
Et av de store problemene er ? navigere under vann og under isen. Da fungerer ikke GPS. Samtidig er det viktig for Forsvaret ? vite hvor fienden gjemmer seg i havet.
– Akkurat som vi i dag kan bruke droner til ? overv?ke all milit?r aktivitet p? land og i luften, kan vi bruke kvantesensorer til ? navigere og overv?ke aktiviteten i havet. M?let er ? oppdage ub?ter under isen, sier Kenneth Ruud.
P? sp?rsm?l om fremtidens kvanteutstyr p? soldaten mener Kenneth Ruud at det bare er fantasien som setter grenser.
– P? femtitallet, da datamaskinen veide flere tonn, var det ingen som tenkte at dagens soldater ville g? rundt med hver sin lille datamaskin. Den st?rste utfordringen med kvanteteknologien, fra et milit?rt perspektiv, er ? f? den fantastiske teknologien brukbar i en situasjon der fienden gj?r alt for at utstyret ikke skal fungere optimalt. Vi m? f?lge med og se hvilke trusler kvanteteknologien kan utgj?re for Forsvaret. S? snart det blir en konflikt, vil en del av den teknologien som vi er avhengige av i det daglige, ikke lenger fungere som f?lge av fiendtlig aktivitet, p?peker Kenneth Ruud.
En av de mange mulighetene er langt mer presis navigering enn dagens GPS. Kvantesensorer kan erstatte GPS-m?lingene fra satellitt. Det er ikke dumt. B?de fienden og solstormer kan sl? ut GPS-signalene.
– Da kan det v?re fint ? ha navigasjonssystemer som ikke er avhengige av GPS, mener Susanne Viefers.
Medisin
Kvantesensorer vil ogs? bety mye i den medisinske verden.
– Kvantesensorer kan m?le magnetfelt som er ti milliarder ganger svakere enn magnetfeltet p? Jorda. Slike f?lsomme sensorer kan gj?re det mulig ? se hvordan b?de hjertet, hjernen og musklene fungerer, uten ? stikke n?ler inn i kroppen, forteller Jan W. Thomsen.
Han h?per ogs? at fremtidige kvantesensorer kan m?le hvordan medisinene blir tatt opp av kroppen og hvordan kroppen utskiller medisinen.
Kvantesensorer vil ogs? gj?re det mulig ? m?le temperaturforskjeller p? en tusendels grad inne i cellene v?re.
Susanne Viefers ser for seg neste generasjon MR, som fotograferer kroppen innvendig med magnetiske m?linger.
– Et eksempel er helt nye materialer som er sv?rt f?lsomme n?r magnetfeltet endrer seg. Magnetfelt p?virker kvantetilstanden. Det vil da v?re mulig ? lage enda bedre sensorer for ? skanne hjerneaktiviteten. Da er det mulig ? f? bedre elektromagnetiske m?linger av hjernen, sier Viefers.
Stoda i dag
Det er sv?rt dyrt og ressurskrevende ? lage kvantedatamaskiner. B?de Sverige, Danmark og Finland satser stort p? ? bygge slike datamaskiner.
– Vi m? ikke ha noen illusjon om at vi kan ta dem igjen. I Norge er det mer realistisk ? lage kvantesensorer enn kvantedatamaskiner, fordi Norge allerede er store p? sensorteknologi, forteller Susanne Viefers.
Kongsberg-gruppen lager blant annet sensorer til bruk p? havbunnen. Dagens sensorer er ikke presise nok etter en ti?rs tid. Da m? de kalibreres p? ny.
?– Hvis vi ikke henger med i utviklingen, vil sensorene v?re kunne bli utkonkurrert. Det ? lage kvantesensorer er ikke gjort over natten. Hvis vi kommer p? etterskudd, m? vi ta igjen teknologi over flere ?r. Vi ?nsker ? v?re ledende i markedet, sier Terje Nilsen, direkt?r for banebrytende teknologier i Kongsberg Discovery, en del av Kongsberg-gruppen.
Hele poenget er:
– Utviklingen g?r utrolig fort. Vi har ikke fantasi til ? se for oss alle mulighetene. Det kommer stadig nye ideer som ingen f?r har hatt, sier Susanne Viefers.
Det kommer stadig nye ideer som ingen f?r har hatt. Bare fantasien setter grenser.
Teknikken
Marianne Etzelmüller Bathen poengterer at det fortsatt trengs mye grunnforskning.
– Ettersom vi ikke vet hva som vil betale seg p? sikt, er vi n?dt til ? satse ganske bredt p? kvanteforskningen, understreker hun.
Et av spesialene hennes er ? forske p? punktdefekter. Alle atomer er ordnet som i et gitter. Hvis du tar ut et atom eller bytter det med et annet atom i et rent materiale, f?r du en punktdefekt. Disse punktdefektene kan gi helt spesielle egenskaper i materialet.
– En del punktdefekter er u?nsket. Andre er anvendbare, sier Lasse Vines.
Punktdefekter er bare en av mange muligheter for ? lage kvantesensorer.
– Fordelen med ? bruke punktdefekter er at de kan lages av halvlederindustrien, som produserer byggesteinen for all moderne teknologi i samfunnet v?rt, p?peker Lasse Vines.
– Dette er materialer som vi allerede har jobbet med i mange ?r.
For ? lage disse materialene beskytes de med atomer.
– Du kan sammenligne dette med ? spille bowling. Bowlingkulene, alts? atomene, sl?r l?s kjeglene. Vi ?nsker ? st? igjen med manglende kjegler, alts? defekter i materialet, eller reorganisering av kjeglene, forteller Lasse Vines.
Poenget er at ingeni?rene bare skal sitte igjen med ?nskete defekter som fungerer i en kvantesensor og ikke defekter som skaper st?y og vanskeligheter.
Selv om det kanskje h?res enkelt ut, er det ikke enkelt ? lage punktdefekter. En av mulighetene er ? bruke en ionekanon. Den skyter ioner. Ioner er ladete atomer.
Med denne teknologien er det mulig ? fjerne eller bytte ut en milliontedel av atomene.
Uheldigvis er det vanskelig ? plassere atomene p? en kontrollert m?te ettersom punktdefektene blir spredd stokastisk.
Det er ogs? krevende ? vite hvordan punktdefektene blir p?virket av temperaturendringer og elektriske felt, hvordan de kan utnyttes kvantemekanisk og i det hele tatt vite hvordan man kan lage dem i et laboratorium.
Forsker Gunnar Lange, som er teoretiker, beregner hvordan dette lar seg gj?re. Han sier i en munter tone at han overlater til eksperimentalistene ? teste ut forslagene hans i praksis.
For ? klare dette m? praktikerne dandere materialene i en rekke ovner og apparater i renrommet i Mikro- og nanoteknologilaboratoriet og deretter unders?ke hvor stabilt materialet er. For dette er et av de mange poengene: Kvantesensorer m? v?re stabile og kunne t?le en skikkelig st?yt.