Công nghệ cảm biến lượng tử có thể biến đổi thế giới

Hãy tưởng tượng một thế giới mà trong đó bạn có thể tìm thấy chính xác những gì nằm dưới chân mình, nhận được cảnh báo về các vụ phun trào núi lửa, nhìn rõ mọi ngóc ngách bên trong căn phòng và phát hiện các dấu hiệu ban đầu của bệnh đa xơ cứng. Chào mừng bạn đến với cảm biến lượng tử – một công nghệ hứa hẹn biến đổi thế giới chúng ta đang sống!

Cảm biến lượng tử giúp theo dõi núi lửa

Kai Bongs, giáo sư Đại học Birmingham (Anh), giải thích: “Vật lý lượng tử được cho là ‘ma quái’, với các hạt ở hai nơi cùng một lúc, nhưng nó ít ma quái hơn nếu bạn nghĩ chúng là sóng – và sóng có thể ở một vài nơi cùng một lúc”. Đội ngũ nhà khoa học của giáo sư Bongs đang dẫn đầu một tập đoàn các học giả và doanh nghiệp phát triển các cảm biến trọng lực lượng tử hoặc dụng cụ đo trọng lực sẽ nhạy gấp đôi và nhanh gấp 10 lần thiết bị hiện tại. Dự án gọi là “Gravity Pioneer” (Tiên phong Trọng lực) có thể đơn giản hóa rất nhiều cách các kỹ sư và nhà khảo sát lập kế hoạch thực hiện những dự án xây dựng lớn.

Hiện nay, cách duy nhất để tìm ra những gì ẩn chứa bên dưới mặt đất thường là tiến hành đào thám hiểm, vừa tốn thời gian vừa tốn kém. Giáo sư Bongs bình luận: “Một số người từng nói những gì nằm 1 mét sâu bên dưới đường phố London ít được biết rõ hơn Nam cực”. Đây là một vấn đề đau đầu cho các công ty xây dựng, những người phải thực hiện những cuộc khảo sát có thể tiêu tốn nhiều ngày.

George Tuckwell, kỹ sư thuộc công ty dịch vụ kỹ thuật RSK làm việc với Đại học Birmingham về dự án, phát biểu: “Có hàng ngàn hầm mỏ ở Anh, thường rộng dài từ 2 mét trở xuống và nếu đỉnh hầm nằm dưới mặt đất 5 mét trở lên thì hiện tại chúng không thể được phát hiện. Nhưng cảm biến mới sẽ giúp nhìn thấy hầu hết trong số đó”.

Cảm biến nhạy đến mức có thể phát hiện ra những dao động nhỏ về mặt trọng lực xuất phát từ các cấu trúc ngầm tương đối nhỏ như vậy. Cảm biến mới giúp tăng tốc thời gian khảo sát – đánh giá từ Teledyne e2V, công ty kỹ thuật đang phát triển nguyên mẫu của Birmingham thành một mô hình thương mại.

Nhóm nhà nghiên cứu của Đại học Glasgow cũng hợp tác với các chuyên gia về núi lửa Italia để đặt một mạng lưới gồm 40 thiết bị đo trọng lực cỡ nhỏ trên núi Etna – một trong những ngọn núi lửa hoạt động mạnh nhất trên thế giới – của Sicily. Khi các khoang magma lấp đầy dưới mặt đất, số đo trọng lực của chúng sẽ thay đổi để từ đó có thể đưa ra cảnh báo nâng cao về hoạt động của núi lửa.

Hiện nay, các nhà khoa học sử dụng một loạt các thiết bị – như máy đo địa chấn, máy ghi nhận sự biến dạng của mặt đất, thiết bị giám sát khí tự nhiên, camera hồng ngoại và cả hình ảnh vệ tinh – để theo dõi hoạt động núi lửa. Nhưng một mạng lưới thiết bị đo trọng lực giá rẻ và hoạt động thường xuyên là công cụ tiềm năng cho phép đọc chính xác hơn về chuyển động magma. Giles Hammond, giáo sư Viện Nghiên cứu trọng lực (IGR) của Đại học Glasgow nói: “Về cơ bản, đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể cung cấp hình ảnh trọng lực trong thời gian dài”.

Việc sử dụng thế hệ thiết bị đo trọng lực “không lượng tử” cồng kềnh hiện nay có nghĩa là các nhà khoa học phải đi lên núi và di chuyển chúng xung quanh – điều có nguy cơ trên một ngọn núi lửa đang hoạt động như Etna. Nhóm nghiên cứu đang sử dụng các kỹ thuật chế tạo vi mô và nano để tạo ra các thiết bị đo trọng lực lượng tử cỡ nhỏ trên các tấm silicon rẻ hơn 10 lần so với các mô hình thông thường.

Cảm biến lượng tử đầu tiên cho trọng lực vệ tinh

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Mỹ (NASA) và AOSense, Inc., đặt trụ sở tại California (Mỹ), đã chế tạo thành công và trình diễn một cảm biến lượng tử nguyên mẫu có khả năng thu được các phép đo trọng lực rất nhạy và chính xác – bước đệm cho các nhiệm vụ trắc địa, thủy văn và theo dõi khí hậu thế hệ tiếp theo trong không gian.

Các cảm biến nguyên mẫu, được phát triển trong sự hợp tác với Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt (Maryland), sử dụng một kỹ thuật đo lường mang tính cách mạng được gọi là nguyên tử giao thoa, mà cựu Bộ trưởng Năng lượng Bộ Ngoại giao Mỹ Steven Chu và đồng nghiệp đã phát minh vào cuối năm 1980. Babak Saif, nhà vật lý quang học và cộng tác viên của Goddard, cho biết: “Cảm biến của chúng tôi nhỏ hơn so với các cảm biến cạnh tranh có độ nhạy tương tự.

Các dụng cụ dựa trên giao thoa kế nguyên tử trước đây bao gồm các thành phần có thể lấp đầy một căn phòng. Cảm biến của chúng tôi có thể được sử dụng trên tàu vũ trụ để có được một bộ dữ liệu đặc biệt để tìm hiểu chu kỳ nước của trái đất và phản ứng của nó với biến đổi khí hậu”. Trên thực tế, cảm biến này là một ứng cử viên cho các nhiệm vụ của NASA trong tương lai trên nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đang xem cảm biến lượng tử của mình như một công nghệ tiềm năng để thu thập loại dữ liệu hiện đang được thực hiện bởi nhiệm vụ Theo dõi trọng lực và thí nghiệm khí hậu (GRACE) của NASA. Mục tiêu của GRACE là lập bản đồ sự biến thiên của trọng lực trái đất theo thời gian, với độ chính xác gấp 1.000 lần so với các bản đồ hiện nay. NASA cho biết bản đồ trọng lực sẽ giúp các nhà nghiên cứu tạo ra những mô hình địa hình toàn cầu được số hóa một cách chuẩn xác, giúp ích cho các nhà địa chất, các nhà đại dương học, các nhà băng học…

Bản đồ cũng sẽ có ích cho những người nghiên cứu về biến đổi khí hậu toàn cầu. GRACE-FO là một nhiệm vụ 2 vệ tinh (thí nghiệm khí hậu và xác định lực hấp dẫn) đã tạo ra các bản đồ trọng lực hàng tháng cho thấy mức độ phân phối khối lượng và cách nó thay đổi theo thời gian. Do siêu chính xác, cảm biến lượng tử có thể loại bỏ sự cần thiết của hệ thống hai vệ tinh hoặc cung cấp độ chính xác cao hơn nữa nếu được triển khai trên vệ tinh thứ hai trên quỹ đạo bổ sung – Lee Feinberg, chuyên gia quang học Goddard cũng tham gia nỗ lực cho biết.

Với công nghệ mới này, chúng ta có thể đo lường sự thay đổi của lực hấp dẫn của Trái đất đến từ việc làm tan băng, hạn hán và thoát nước ngầm, cải thiện đáng kể nhiệm vụ tiên phong của GRACE. Từ năm 2004, AOSense đã phát triển các cảm biến lượng tử và đồng hồ nguyên tử, với chuyên môn và khả năng rộng lớn bao gồm tất cả các khía cạnh phát triển và đặc tính của các cảm biến tiên tiến để điều hướng và định thời chính xác.

Cảm biến lượng tử thay thế GPS

Cảm biến lượng tử hoạt động giống như từ kế (đo từ trường). Khi các nguyên tử rubidium được đặt trong từ trường, tốc độ quay của chúng thay đổi, giúp tạo ra một dòng điện có thể đo được. Bộ cảm biến có khả năng phát hiện tín hiệu từ trường nhỏ hơn của trái đất gấp một triệu lần. Những lợi thế của phương pháp tiếp cận này rất đa dạng.

Công nghệ GPS có thể xác định vị trí của bất cứ nơi nào trên bề mặt Trái Đất song lại hoạt động không tốt trong một số trường hợp như là sử dụng bên trong các tòa nhà, dưới lòng đất, dưới nước, hay khoảng không bên ngoài giữa các tòa nhà chọc trời nơi tín hiệu có thể bị mất, đó là lý do thúc đẩy các nhà nghiên cứu cố gắng tìm kiếm sự lựa chọn thay thế. Cảm biến lượng tử thường làm việc hiệu quả ở điều kiện nhiệt độ phòng, chúng nhỏ, tiêu thụ rất ít năng lượng, và tương đối rẻ để có thể triển khai.

Ngoài ra, cũng không cần thiết phải hiệu chỉnh vì tài nguyên mà hệ thống sử dụng chỉ là hiện tượng tự nhiên xảy ra đối với các nguyên tử. Điều này giúp cho cảm biến lượng tử trở nên thực sự mạnh mẽ, vượt xa những hạn chế của GPS. Tuy nhiên, mặc dù lợi thế là vậy song vẫn còn nhiều thách thức phía trước đối với cảm biến lượng tử. Bởi vì xung quanh ta có rất nhiều từ trường, cho nên tín hiệu đôi khi có thể biến mất trong những tiếng ồn.

Hiện nay, phạm vi giao tiếp của một hệ thống trong nhà có thể lên đến hàng chục mét, tốt hơn nhiều so với khả năng hiện tại, tuy nhiên vẫn chưa thực sự là một công nghệ phổ biến và linh hoạt. Ngoài ra, độ chính xác cũng là một vấn đề cần cải thiện. Sai số hay tính không chắc chắn trong khoảng 16m vẫn là đáng kể so với mục tiêu chỉ 3 mét mà các nhà nghiên cứu hy vọng đạt được. Cuối cùng, các nhà khoa học cũng đang tìm cách tăng dần tỷ suất tín hiệu vượt qua được những tiếng ồn bằng cách cải thiện từ trường trong số những phương án khác.

Ứng dụng trong y khoa và còn nữa…

Trường đại học Glasgow cũng đang nghiên cứu một loại hình 3D đặc biệt cho phép bạn nhìn các góc tròn hoặc “nhìn sâu” vào bên trong căn phòng. LIDAR là công nghệ khảo sát tiên tiến để đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu mục tiêu đó bằng một tia laser và đo các xung phản xạ bằng cảm biến. Nhưng công nghệ lượng tử cho phép các nhà khoa học đo thời gian đến của các photon đơn lẻ với độ chính xác rất cao, tính bằng phần nghìn tỷ của một giây.

Giáo sư Daniele Faccio, người đứng đầu nhóm Extreme Light Đại học Glasgow, phân tích: “Trong một hẻm núi, bạn sẽ nghe thấy giọng nói của mình vang vọng trở lại. Bạn có thể làm tương tự với ánh sáng hoặc tia laser. Ánh sáng sẽ bật ra khỏi tường. Sau đó, bạn có thể tạo hình ảnh 3D bằng dữ liệu này”. Mục đích là để phát triển các thế hệ tiếp theo cho ô tô tự hành giúp nâng cao nhận thức – xuyên qua lớp sương mù, khói và trên quãng đường dài hơn.

Cảm biến nguyên mẫu của Glasgow phát hiện được những người di chuyển cách xa 100 mét, ngay cả khi họ cách một vài mét quanh một góc. Việc phát hiện các bệnh thoái hóa nơi con người cũng thay đổi nhờ vào cảm biến lượng tử.

So sánh với công nghệ như chụp cộng hưởng từ (MRI) được sử dụng từ lâu, cảm biến lượng tử đơn giản hơn, rẻ hơn và có độ phân giải tốt hơn, Giáo sư Peter Kruger ở Đại học Sussex bình luận: “Đối với các bệnh như đa xơ cứng, tốc độ xử lý của tủy sống đến não thay đổi. Nhưng các công cụ hiện có không thể dò thấy điều này. Cảm biến lượng tử mới giúp phát hiện những thay đổi này theo cách mà các cảm biến MRI không thể”.

Không có gì đáng ngạc nhiên khi quân đội các nước trên khắp thế giới cũng đang ủng hộ nghiên cứu về cảm biến lượng tử. Ví dụ như thiết bị đo trọng lực nói riêng cung cấp tiềm năng để phát hiện tàu ngầm của đối thủ. Tháng 10.2018, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu RDECOM của quân đội Mỹ tại Maryland đã có một bước tiến đáng kể trong phát triển cảm biến lượng tử. Họ sử dụng tia laser để tăng cường các nguyên tử Rydberg (lớn hơn nhiều so với các nguyên tử bình thường) đến mức năng lượng cao bất thường.

Tiến sĩ Paul Kunz, một thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết: “Điều này làm tăng đáng kể độ nhạy của nguyên tử đối với điện trường. Chúng tôi đã tạo ra một chiếc kim la bàn khổng lồ nhạy hơn nhiều so với loại thông thường”. Không giống như các máy thu thông thường được thiết kế để phát hiện tín hiệu qua một tần số cụ thể trong phổ điện từ, các nguyên tử Rydberg rất nhạy cảm với một dải tần số rộng.

Và vì chúng không hấp thụ năng lượng từ trường mà chúng đo được, bạn có thể sử dụng chúng để phát hiện tín hiệu mà đối thủ không nhận ra. Nói tóm lại, “công nghệ lượng tử có tiềm năng biến đổi thế giới theo những cách mà chúng ta khó có thể tưởng tượng được” – giáo sư Kai Bongs Đại học Birmingham kết luận.