量子センサー

量子技術 において、量子センサーは量子もつれ、量子干渉、量子状態スクイージングなどの量子力学の特性を利用しており、これによりセンサー技術の精度が最適化され、現在の限界を上回っています。^[1] 量子センシングの分野では、多くの技術アプリケーションで従来の戦略の性能を上回ることができる量子源（例えば、もつれ）と量子測定の設計とエンジニアリングを扱っています。^{[2]これは、}フォトニックシステム^[3]または固体システムで行うことができます。^[4]

フォトニクスと量子光学では、フォトニック量子センシングはエンタングルメント、単一光子、スクイーズ状態を利用して極めて正確な測定を実行します。光センシングは、電磁場の異なる自由度、固体の振動モード、ボーズ・アインシュタイン凝縮体などの連続的に変化する量子システムを使用します。^{[5]これらの量子システムを調べることで、2つの量子状態間の未知の変換を特徴付けることができます。フォトニックセンサーのターゲットの}量子照明を改善するためのいくつかの方法があり、量子相関を使用して弱い信号の検出を改善するために使用されています。^{[6] [7] [8] [9] [10]}

量子センサーは、連続的に変化するシステム、つまり位置や運動量の積分などの連続的な自由度を特徴とする量子システム上に構築されることが多い。基本的な動作メカニズムは、通常、光の光学状態に依存しており、多くの場合、スクイージングや2モードエンタングルメントなどの量子力学的特性を伴う。^[3]これらの状態は、干渉測定によって検出される物理的変換に敏感である。^[5]

量子センシングは、スピン量子ビット、トラップイオン、フラックス量子ビット、^[4]、ナノ粒子などの非光子領域でも利用できます。^[11]これらのシステムは、応答する物理的特性によって比較できます。たとえば、トラップイオンは電場に応答しますが、スピンシステムは磁場に応答します。^{[4]トラップ} イオンは、電場と強く結合した量子化された運動レベルで役立ちます。これらは、表面上の電場ノイズを研究するために提案されており、^[12]最近では回転センサーです。^[13]

固体物理学において、量子センサーは刺激に反応する量子デバイスである。通常、これは量子化されたエネルギーレベルを持ち、量子コヒーレンスを使用して物理量を測定するか、エンタングルメントを使用して古典的なセンサーでできることを超えて測定を改善するセンサーを指します。^[4]固体量子センサーには4つの基準があります。^[4]

1. システムには、離散的かつ分解可能なエネルギー レベルが必要です。
2. センサーを初期化し、読み取り（電源を入れて回答を得る）を実行できます。
3. センサーを一貫して操作できます。
4. センサーは物理量と相互作用し、その量に対して何らかの反応を示します。

量子センサーは、顕微鏡、測位システム、通信技術、電磁場センサー、鉱物探査や地震学などの地球物理学的研究分野など、幅広い分野で応用されています。^{[4]多くの測定デバイスは、}原子時計、超伝導量子干渉デバイス、核磁気共鳴分光法など、測定値を調べるために量子特性を利用しています。 ^{[4] [14]}新たな技術の進歩により、個々の量子システムを測定デバイスとして使用し、エンタングルメント、重ね合わせ、干渉、圧縮を利用して感度を高め、古典的な戦略のパフォーマンスを上回ることができます。

初期の量子センサーの良い例としては、アバランシェフォトダイオード（APD）が挙げられます。APDは、エンタングルメント光子の検出に使用されてきました。冷却とセンサーの改良により、医療用画像処理などの分野で光電子増倍管（PMT）の代わりに使用できます。2D、さらには3D積層アレイの形態のAPDは、シリコンダイオードをベースとした従来のセンサーの直接的な代替品として使用できます。^[15]

国防高等研究計画局（ DARPA ）は、量子リソグラフィーやNOON状態などの 量子計測学や量子イメージングのアイデアを活用し、^LIDARなどの光センサーシステムでこれらの目標を達成することを目指す光量子センサーの研究プログラムを立ち上げました。^{[6] [17] [18] [19]}米国は、量子センシングが軍事用途の量子技術の中で最も成熟していると判断しており、理論的にはGPSがカバーしていない地域でGPSを置き換えたり、 ISR機能で機能したり、潜水艦や地下の構造物や車両、核物質を検出したりする可能性があります。^[20]

光量子センサー、顕微鏡、重力波検出器

フォトニックシステムでは、フィードバックと適応プロトコルが現在の研究対象となっている。これはボソン損失の識別と推定の研究が活発に行われている分野である。^[21]

干渉計にスクイーズド光を注入すると、従来は検出できなかった微弱な信号に対する感度を高めることができる。^[1]量子センシングの実用的な応用は、重力波センシングで実現されている。^[22] LIGOなどの重力波検出器は、スクイーズド光を利用して標準量子限界以下の信号を測定している。^[23]スクイーズド光は、プラズモニックセンサーや原子間力顕微鏡でも標準量子限界以下の信号を検出するために使用されている。^[24]

投影ノイズ除去の用途

量子センシングは解像度の限界を克服する能力も備えており、2つの近い周波数間の区別が消えるという現在の問題は、投影ノイズを消滅させることによって克服できます。^{[25] [26]}投影ノイズの減少は、通信プロトコルやナノ核磁気共鳴に直接応用されています。^{[27] [28]}

エンタングルメントのその他の用途

エンタングルメントは既存の原子時計を改良するために利用することができる^{[29] [30] [31]}し、より感度の高い磁力計を作成することもできる^{[32] [33]}。

量子レーダー

量子レーダーも活発な研究分野です。現在の古典的なレーダーは多くのターゲットビンを調査できますが、量子レーダーは単一の偏波または範囲に制限されています。^[34]量子もつれマイクロ波を使用した概念実証の量子レーダーまたは量子照明器は、室温で低反射率の物体を検出することができました。これは、改良されたレーダーシステム、セキュリティスキャナー、医療用画像システムに役立つ可能性があります。^{[35] [36] [37]}

神経画像

神経イメージングでは、最初の量子脳スキャナーは磁気イメージングを使用し、新しい全脳スキャンアプローチになる可能性があります。^{[38] [39]}

地下の重力地図作成

地下の地図作成や調査に使用できる量子重力勾配計も開発中です。^{[40] [41]}