Kvantandurid ja -metroloogia on tehnoloogiavaldkond, mida arendatakse, et mõõtmiste täpsust ja tundlikkust parendada. Kvantandur lubab suurusi, nagu aeg, temperatuur, gravitatsiooni- ja elektromagnetvälja omadused, mõõta palju täpsemalt kui tavaline andur. Täpsuse tõstmine toetab arenguid meditsiinis, navigatsioonis, kliimateaduses, astronoomias jt olulistes valdkondades.
Kvantanduri tööprintsiibid
Kvantandur toimib, kasutades kvantfüüsika nähtusi, nagu superpositsioon ehk ülestus ja põimumine. Ülestus võimaldab osakestel olla korraga mitmes olekus, tajudes keskkonnamuutusi tundlikumalt. Põimumine, kus kaks või enam osakest on omavahel seotud nii, et ühe oleku muutmine mõjutab kohe ülejäänuid, olenemata nende kaugusest, pakub täiendavat täpsust ja reaktsioonikiirust.
Üks olulisemaid kvantanduri tööpõhimõtteid on kvantinterferomeetria. See meetod kasutab valguse või elementaarosakeste lainelist loomust, et tuvastada äärmiselt väikeseid muutusi ruumis, ajas või muude füüsikaliste suuruste suhtes. Näiteks võib kvantandur kasutada laserkiirgust, aatomeid või neutroneid, et väga täpselt mõõta gravitatsiooni- või magnetväljade omadusi. Kvantandurid on tavaanduritest tundlikumad, sest tajuvad ja eristavad tunduvalt väiksema amplituudiga muutuseid.
Kvantmetroloogia
Kvantmetroloogia on mõõtmiste teadus, mis põhineb kvantfüüsika põhimõtetel. See on äärmiselt vajalik, et ülitäpselt mõõta teadusuuringutes, tööstuses ja tehnoloogias. Kvantmetroloogias keskendutakse peamiselt aja, elektrilaengu ja massi mõõtmisele. Kvantmetroloogia silmapaistvamaid näiteid on kvantprotsessidel põhinevad aatomkellad, mis mõõdavad maailma kõige täpsemat aega ja on kasutusel satelliitnavigatsioonisüsteemides (nt GPS), kus on vaja erakordselt täpset ajastust ja sünkroonimist.
Kvantmetroloogia panustab ka optilistel kelladel ja kvantstandarditel põhinevate mõõtesüsteemide laadsete tehnoloogiate arendamisesse. Selliste seadmetega leiutatakse uusi võtteid, millega ülitäpselt mõõta ja andmeid koguda, tõstes teadusuuringute ja tehnoloogiliste lahenduste kvaliteeditaset.
Kvantanduri eelised ja puudused
Kvantandur on lihtandurist täpsem, sest on tundlikum ja tajub väiksemaidki muutuseid füüsikalistes suurustes, nagu temperatuur, magnetväljatugevus või gravitatsioon. Loomulikult on see hindamatu omadus teadusuuringutes ja täppistehnoloogias.
Kvantandur töötab kvantfüüsika alusel, mistõttu on mõõtmistulemused äärmiselt täpsed ja usaldusväärsed. Tavapärastele mõõtevahenditele on selline kvaliteet kättesaamatu.
Kvantandureid on keeruline ja kulukas toota ning kasutada. Kvantandurid vajavad sageli erialast riistvara ja töötavad ainult ülitäpselt hoitud keskkonnas, näiteks väga külmal temperatuuril. Kvantandurite tehnoloogia on veel arengujärgus, mistõttu levik on paljudes valdkondades piiratud.
Kvantandurite potentsiaalsed rakendused
Meditsiinis tõhustavad kvantandurid diagnoosi ja ravi. Kvantandurid mõõdaks ajulainete või südame elektrilise aktiivsuse vähimaidki muutusi, mis võimaldaks arstidel ja teadlastel täpsemalt tuvastada ja diagnoosida närvi- või südamehaigusi.
Lisaks on oluliseks rakendusvaldkonnaks navigatsioon. Kvantandurid edastavad täpsemaid asukoha- ja liikumisandmeid, mis on kasulik näiteks isesõidukite arendamisel või lennunduses. Kvantandurid toimiksid isegi seal, kus GPS-signaal on nõrk või olematu, näiteks maa all või avakosmoses.
Keskkonnaseires oleks kvantandurid kuldaväärt, mõõtes muutusi gravitatsiooniväljas või elektromagnetväljas, jälgides kliimamuutusi, ennustades looduskatastroofe ja geoloogilisi protsesse.
Viimaks on kvantandurid olulised tööstus- ja teaduslaborites, et teostada ülitäpseid mõõtmisi üha kitsenevate tolerantsinõuete täitmiseks, avastada uusi materjale ja optimeerida täppistootmisprotsesse.
Kvantandurid Eestis
Eestis on kvanttehnoloogia, sealhulgas kvantandurid, veel arendamise ja uurimise etapis, kuid teadusuuringute ja arendustegevusega juba tegeletakse selles valdkonnas. Eesti teadusasutused ja ülikoolid uurivad pingsalt kvantandurite tehnoloogiat, et rakendada seda tööstuses ja teadusuuringutes.
Eestis tegeleb kvantmetroloogiaga AS Metrosert, arendades ja võttes kasutusele mitmesuguseid kvantandureid. Näiteks 2022. aastal soetas Metrosert ülimadalate valgusvoogude mõõteseadme ning ehitab järgnevate aastate jooksul üles kvantetalonallikate ja etalondetektorite kalibreerimiseks vajaliku mõõtesüsteemi, mida saab rakendada edasises uurimistöös kvantmetroloogias nii telekommunikatsiooni, meditsiini kui ka materjaliteaduse valdkondades. Süsteemi ülesehitamine tugineb senistele rahvusvahelistele optikavaldkonna teadusprojektidele. 2023. aasta alguse seisuga on koostatud kava optiliste suuruste riigietaloni tasemeni viimiseks esialgu valguse nähtavas piirkonnas (380…780) nm.