حسگرهای کوانتومی؛ کوچک‌تر، دقیق‌تر، سریع‌تر

از میان سه فناوری کوانتومی با کاربردهای قدرتمند در کسب‌وکار — محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و حسگری کوانتومی — کم‌ شناخته‌ شده‌ترین آن، مورد آخر است. از قضا، حسگری کوانتومی همان فناوری‌ای است که بیشترین تجربه‌ی عملی را در استفاده از آن داریم: لیزرها، سلول‌های فتوولتائیک و دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی همگی از حسگرهای کوانتومی استفاده می‌کنند.

دلیل این ناآشنایی ممکن است در دشواری پیگیری توسعه‌ی این فناوری نهفته باشد، چرا که کاربردهای آن بسیار متنوع‌اند. اما همین تنوع، در کنار سهولت نسبی در مقیاس‌پذیری (دست‌کم در مقایسه با محاسبات کوانتومی)، پژوهش در حوزه‌های مختلف را تقویت کرده و به‌زودی موجب گشایش کاربردهای جدیدی در مراقبت‌های بهداشتی، نیمه‌رساناها، ماهواره‌ها و صنایع نظامی و دفاعی خواهد شد.

به‌تازگی مشاهده کرده‌ایم که برای شرکت‌های بزرگ، محاسبات کوانتومی در مقیاس سازمانی در حال ظهور است. همچنین انتظار داریم کاربردهای جدیدی برای فناوری حسگری کوانتومی در دهه‌ی آینده پدیدار شود که احتمالاً تأثیرات تحول‌آفرینی به همراه خواهد داشت. تاکنون حدود ۱۶۰۰ پتنت صادر شده و استارت‌آپ‌ها در سال ۲۰۲۲ حدود ۲ میلیارد دلار سرمایه جذب کرده‌اند. پیش‌بینی می‌شود بازار قابل دستیابی برای حسگرها تا سال ۲۰۳۰ به ۱۷۰ تا ۲۰۰ میلیارد دلار برسد و انتظار داریم بازار جهانی حسگری کوانتومی تا آن زمان به ۳ تا ۵ میلیارد دلار (یا سهمی معادل ۲ تا ۳ درصد از بازار کلی حسگرها) دست یابد، که این امر به رشد بازار جهانی تمامی فناوری‌های کوانتومی تا سطح ۲۰ تا ۴۰ میلیارد دلار کمک خواهد کرد. (به نمودار ۱ مراجعه کنید.)

حس کردن آنچه نمی‌توان دید

موج نخست نوآوری، امکان تجاری‌سازی فناوری‌های مهمی همچون ترانزیستورها و ارتباطات مدرن، همچنین دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، دوربین‌های دیجیتال و سایر ابزارهای تصویربرداری را فراهم کرد. موج دوم نسبت به قابلیت‌های موجود، دو مزیت اصلی به همراه خواهد داشت.

نخست، کوچک‌تر شدن اندازه، ساخت دستگاه‌های قابل‌حمل را ممکن می‌سازد که منجر به ایجاد کاربردهای جدیدی در اندازه‌گیری خواهد شد. تا همین اواخر، برخی شاخص‌ها تنها در محیط‌های آزمایشگاهی و با استفاده از تجهیزات حجیم قابل‌ارزیابی بودند. کوچک‌سازی، راه را برای تعبیه‌ی حسگرهای کوانتومی در انواع وسایل از جمله هواپیماها، خودروها و تلفن‌های همراه هموار می‌سازد. برای مثال، توانایی اندازه‌گیری گرانش در تحقیقات اقلیمی اهمیت دارد و گرانش‌سنج‌های کوانتومی با جمع‌آوری داده‌های بیشتر نسبت به دستگاه‌های سنتی، از مزیت قابل‌توجهی برخوردار خواهند بود.

دوم، حساسیت بسیار بالای حسگرهای کوانتومی دقت بیشتری را در انواع مختلف اندازه‌گیری‌ها از جمله زمان، فرکانس، شتاب، دما، فشار، چرخش، و میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی فراهم خواهد کرد. (به نمودار ۲ مراجعه کنید.) این ویژگی می‌تواند تأثیری تحول‌آفرین در حوزه‌های گوناگونی از جمله دفاع و هوافضا، مراقبت‌های بهداشتی، الکترونیک، زمین‌شناسی و انرژی داشته باشد. چندین کاربرد مرتبط با حسگری کوانتومی (مانند لیدار) ممکن است در میان‌مدت تا بلندمدت بر محصولات بازار انبوه مانند خودروها اثر بگذارند. موارد خاص استفاده از این فناوری هم‌اکنون در حال بررسی‌اند و موارد بیشتری به‌زودی به واقعیت‌های تجاری تبدیل خواهند شد — احتمالاً در سه تا پنج سال آینده برای فناوری‌های بالغ‌تر.

۵ فناوری‌ اصلی حسگری کوانتومی

فناوری‌های اصلی حسگری کوانتومی که امروزه مورد بررسی قرار دارند را می‌توان در پنج دسته طبقه‌بندی کرد که هرکدام قابلیت‌های متفاوتی دارند.

حسگرهای کوانتومی الکترومغناطیسی (Quantum Electromagnetic Sensors):

این دستگاه‌ها بر سه فناوری برای اندازه‌گیری پویا و دقیق میدان‌های الکترومغناطیسی تکیه دارند: مراکز NV (نیتروژن-خلا)، بخارهای اتمی، و مدارهای ابررسانا. در بخش دفاعی، حسگرهای الکترومغناطیسی کوانتومی (QES) می‌توانند برای شناسایی اهداف پنهان‌کار یا رهگیری ارتباطات استفاده شوند؛ در حوزه‌ی مراقبت‌های بهداشتی، به‌کارگیری آن‌ها در تصویربرداری از فعالیت مغز و طیف‌سنجی در مقیاس نانو می‌تواند دقت و قابلیت اطمینان تشخیص را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.

تصویربرداری کوانتومی (Quantum Imaging):

فناوری کوانتومی با بهره‌گیری از اصول مکانیک کوانتومی، وضوح و برد تصویربرداری را بهبود می‌بخشد. لیدار کوانتومی نقشه‌های سه‌بعدی دقیقی ایجاد کرده و دقت اندازه‌گیری فاصله را افزایش می‌دهد؛ رادار کوانتومی توانایی شناسایی و مکان‌یابی اجسام را با وضوح بالاتر و نویز کمتر ارتقا می‌دهد. وضوح بالای تصویربرداری کوانتومی برای شناسایی اهداف پنهان، مخفی یا متحرک — مانند نظارت مرزی یا عملیات نظامی — بسیار مفید است.

گراویمترها و گرادیومترهای کوانتومی (Quantum Gravimeters and Gradiometers):

گراویمترها یا گرانش سنج ها(که شدت میدان گرانشی را اندازه‌گیری می‌کنند) و گرادیومترها (که تغییرات در میدان گرانشی را اندازه‌گیری می‌کنند) برای پایش پدیده‌های ژئوفیزیکی زیرسطحی مانند حفره‌های زیرزمینی و منابع زمین‌گرمایی به‌کار می‌روند. با تشخیص تغییرات بسیار جزئی در نیروهای گرانشی با حساسیت بیشتر، گراویمترها و گرادیومترهای کوانتومی می‌توانند ساختارها و منابع زیرزمینی را با دقت بالاتری شناسایی کنند و بدین ترتیب، اکتشافات هیدروکربنی را بهبود بخشند.

دماسنج‌ها و فشارسنج‌ها (Thermometers and Barometers):

با استفاده از ابرهای اتمی سرد و دستگاه‌های تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUIDs)، دماسنج‌ها و فشارسنج‌ها می‌توانند دما و فشار جوی را با دقت بیشتری ارزیابی کنند. این ابزارها گاه با سونار ترکیب می‌شوند تا زیردریایی‌ها را شناسایی کنند و همچنین می‌توانند برای بهبود اندازه‌گیری پارامترهای محیطی در هواپیماها مورد استفاده قرار گیرند.

کاربردهای متقاطع (Transversal Applications):

حسگرهای کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و محاسبات کوانتومی زمانی که در ترکیب با یکدیگر استفاده شوند، قابلیت‌های یکدیگر را غنی‌تر می‌سازند. موارد استفاده‌ی این ترکیب در زمینه‌هایی همچون پیش‌بینی آب‌وهوا، شناسایی تقلب، بهینه‌سازی ترافیک، و پیش‌بینی تعامل دارویی در حال بررسی است.

چالش‌های پذیرش

همانند هر فناوری نوظهور دیگری، برای به‌کارگیری حسگری کوانتومی نیز باید بر چالش‌هایی غلبه کرد. بزرگ‌ترین چالش در این زمینه ممکن است اثبات ضرورت تغییر باشد. (به نمودار ۳ مراجعه کنید.) در برخی صنایع، هزینه‌های اولیه‌ی بالا، هزینه‌های سنگین عملیاتی، و مزایای عملکردی نامشخص، جذابیت این فناوری را — دست‌کم در کوتاه‌مدت — محدود می‌کنند.

جایی که فعالیت جریان دارد و خواهد داشت

هر مرحله از زنجیره‌ی ارزش حسگری کوانتومی — از مؤلفه‌ها و حسگری گرفته تا کاربردها و خدمات — با سرعت متفاوتی در حال بلوغ است، که پیش‌بینی روند آن را دشوار می‌سازد. (به «زنجیره‌ی ارزش حسگری کوانتومی» مراجعه کنید.) ماهیت راهبردی نیازها و فعالیت‌های صنعت دفاعی — و حساسیت کمتر آن نسبت به قیمت در مقایسه با سایر صنایع — موجب شده است که بخش دفاعی به نیروی محرکه‌ی اصلی بازار حسگرهای کوانتومی تبدیل شود. تاکنون بیشتر کاربردهای حسگری کوانتومی در قالب نمونه‌های اولیه توسعه یافته و برای اهداف دفاعی به کار گرفته شده‌اند.

زنجیره‌ی ارزش حسگری کوانتومی

چالش‌های فناورانه، تجاری و مالی در هر مرحله از زنجیره‌ی ارزش متفاوت‌اند؛ بازیگران پیشرو نیز در هر مرحله فرق دارند. هر بخش بر کاربردهای خاصی تمرکز دارد و با سرعت مخصوص به خود در مسیر بلوغ حرکت می‌کند.(نمودار3-۱)

دستیابی به مزایای مقیاس، مستلزم ورود به بازار تجاری است. سرعت ورود کاربردهای حسگری کوانتومی به بازار ممکن است نه‌تنها به میزان پاسخ‌گویی به اولویت‌های مشتریان، بلکه به اثبات کارایی این فناوری از طریق استفاده‌ی نظامی نیز بستگی داشته باشد. همانند سایر فناوری‌ها — از جمله مایکروویو، سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) و واقعیت مجازی — کاربردهای غیرنظامی نیز از بلوغ فناوری، انتقال دانش حاصل از تجربه‌ی صنعت دفاعی، و صرفه‌جویی‌های ناشی از مقیاس بهره‌مند خواهند شد؛ عواملی که همگی در نهایت به کاهش قیمت‌ها کمک خواهند کرد.

سه بخش دیگر، علاوه بر حوزه‌ی دفاع، در آستانه‌ی بهره‌مندی از حسگری کوانتومی قرار دارند و هرکدام اولویت‌های خاص خود را دارند. (به نمودار ۴ مراجعه کنید.) کاربران حوزه‌های پزشکی و داروسازی نیازهای بسیار دقیقی در زمینه‌های مختلف — مانند حساسیت و اندازه — دارند، زیرا عملکردهای آن‌ها حیاتی است و تحت معیارهای ایمنی و مقررات سخت‌گیرانه قرار دارد. تولیدکنندگان الکترونیک، دقت و قابلیت اطمینان بالا و همچنین توانایی عملکرد در مقیاس وسیع را بسیار ارزشمند می‌دانند (به میلیون‌ها تراشه‌ای که هر سال تولید می‌شود فکر کنید). کاربران حوزه‌ی زمین‌شناسی و انرژی حساسیت کمی نسبت به قیمت دارند و شاید کم‌توقع‌ترین از نظر عملکرد باشند؛ با این حال، الزامات ایمنی برای آنان در اولویت نخست قرار دارد.

نمونه‌های اولیه‌ی بسیاری از کاربردها در این صنایع در حال ظهور هستند. کاربردهای دفاعی و پزشکی به نظر می‌رسد به بلوغ بازار نزدیک‌تر باشند، اما حسگرهای کوانتومی در حوزه‌های الکترونیک، زمین‌شناسی و انرژی نیز از مزایای قابل‌توجهی برخوردارند. (به نمودار ۵ مراجعه کنید.)

تشخیص ناهنجاری‌های مغناطیسی (Magnetic Anomaly Detection):

این فناوری برای رصد وجود اجسام فلزی مانند زیردریایی‌ها و مین‌ها به‌کار می‌رود. حسگرهای کوانتومی امکان استقرار این فناوری را بر روی سکوهای کوچک، بدون سرنشین هوایی یا زیرآبی فراهم می‌سازند. این قابلیت می‌تواند در حوزه‌های دیگر نیز به کار گرفته شود — برای مثال در خودروهای خودران به‌منظور بهبود شناسایی اجسام. این موردِ استفاده در مرحله‌ی اثبات مفهوم (proof of concept) در بخش‌های دفاعی و زمین‌شناسی و انرژی قرار دارد.

دستگاه‌های قابل‌حمل MRI:

دستگاه‌های MRI قابل‌حمل می‌توانند با کاهش قابل‌توجه اندازه‌ی اسکنرها، استفاده از این فناوری تصویربرداری را گسترش دهند و امکان بهره‌برداری از آن را در مناطق دورافتاده یا کم‌برخوردار فراهم کنند. این کاربرد در مرحله‌ی نمونه‌ی اولیه (prototype) قرار دارد؛ برای دستیابی به پیشرفت بیشتر، لازم است هم اندازه و هم قیمت کاهش یابند.

کنترل کیفیت تراشه با حسگری کوانتومی:

به‌کارگیری حسگری کوانتومی در کنترل کیفیت تراشه — که توسط صنعت الکترونیک در مرحله‌ی نمونه‌سازی مورد آزمایش قرار گرفته است — امکان اسکن سریع‌تر و تشخیص با وضوح بالاتر نقص‌ها را فراهم می‌کند. آخرین مانع عمده، توانایی استانداردسازی و صنعتی‌سازی فرآیند تولید است. پس از رفع این مانع، نرخ ضایعات حدود ۲۰ درصدی در بیشتر کارخانه‌های تولید نیمه‌رسانا به‌طور چشمگیری کاهش خواهد یافت، که به کاهش اتلاف و کاهش فشار بر زنجیره‌ی تأمین منجر می‌شود.

پایش ژئوفیزیکی زیرزمینی (Underground Geophysical Monitoring):

این کاربرد شامل شناسایی فعالیت‌های لرزه‌ای و آتشفشانی است. حسگرهای گرانشی کوانتومی عملکردی در بالاترین سطح فناوری ارائه می‌دهند و توسط شرکت‌های انرژی به‌کار گرفته شده‌اند. با کوچک‌تر شدن اندازه‌ی این دستگاه‌ها، کاربردهای مهندسی عمران — مانند پایش زیرساخت‌های جاده‌ای، سدها یا کارخانه‌های صنعتی — نیز توسعه خواهند یافت.

ناوبری اینرسی با استفاده از حسگرهای کوانتومی (Inertial Navigation using Quantum Sensors):

این فناوری امکان موقعیت‌یابی دقیق در مناطقی را فراهم می‌کند که سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای مانند GPS مسدود شده یا دقت کافی ندارند (که می‌تواند به‌عنوان مثال بر تعیین موقعیت عمودی تأثیر بگذارد). سیگنال‌های GPS به‌راحتی و با هزینه‌ی کم قابل اختلال هستند. سازمان‌های دفاعی مانند آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی، ناوبری اینرسی را در سیستم‌های هدایت موشک به‌کار می‌برند تا وابستگی کامل به GPS نداشته باشند. این فناوری در محیط‌های غیرنظامی نیز کاربرد دارد، مانند تونل‌های جاده‌ای. حسگرها در مرحله‌ی اثبات مفهوم و در مقیاس آزمایشگاهی قرار دارند. استقرار انبوه نیازمند کوچک‌سازی و کاهش هزینه‌ها است. ناوبری اینرسی می‌تواند در صنایع خودروسازی، هوافضا و دفاع از حسگری کوانتومی بهره ببرد و در صورت امکان کوچک‌سازی و کاهش هزینه‌ی واحدها، در آینده به بخشی جدایی‌ناپذیر از تلفن‌های هوشمند تبدیل شود.

خودروهای خودران (Self-Driving Cars):

این خودروها به قابلیت‌های پیشرفته‌ی ادراکی نیاز دارند تا بتوانند اجسام، عابران پیاده و موانع را در زمان واقعی و با سرعت بالا به‌طور دقیق شناسایی و دنبال کنند. این کاربرد هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه قرار دارد. آماده‌سازی بازار نیازمند پیشرفت در سخت‌افزار کوانتومی (برای تشخیص بهتر منابع نوری)، تکنیک‌های اصلاح خطای قوی و قابل‌اطمینان، کاهش هزینه و یکپارچه‌سازی روان با خودروهای خودران و زیرساخت‌های موجود مانند جاده‌ها، خیابان‌ها و تقاطع‌ها است.

مانند فناوری‌های کوانتومی مشابه خود — محاسبات و ارتباطات کوانتومی — کاربردهای حسگری کوانتومی به‌صورت آماده‌به‌کار نخواهند بود. برای آزمایش و نهایتاً بهره‌برداری از تحولات جدید، شرکت‌ها به مهارت‌های داخلی و همکاری با بازیگران تثبیت‌شده نیاز خواهند داشت. حتی اگر کاربردها در نگاه اول دور به نظر برسند، زمان آماده‌سازی نزدیک است. همانند سایر فناوری‌های عمیق، پیشگامان اولیه می‌توانند با جذب استعدادها و ایجاد اتحادها، مزیت قابل‌توجهی به‌دست آورند که هنگام ورود حسگرهای کوانتومی به جریان اصلی بازار، آن‌ها را در موقعیت برتری قرار خواهد داد.

جمع بندی

شرکت‌ها و سرمایه‌گذاران حوزه فناوری‌های عمیق که هنوز توسعه‌های حسگری کوانتومی را رصد نمی‌کنند، باید هرچه سریع‌تر جایگاهی در منحنی یادگیری این فناوری برای خود تأمین کنند.

• اولین انقلاب حسگری کوانتومی امکان تجاری‌سازی فناوری‌های مهمی مانند فناوری‌های ارتباطی مدرن و ترانزیستورها، همچنین دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، دوربین‌های دیجیتال و سایر ابزارهای تصویربرداری را فراهم کرد.
• در دومین انقلاب، کوچک‌تر شدن اندازه، ساخت دستگاه‌های قابل‌حمل را ممکن می‌سازد که کاربردهای جدیدی در اندازه‌گیری ایجاد می‌کند و حساسیت بسیار بالا برای ارائه دقت بیشتر در اندازه‌گیری زمان، فرکانس، شتاب، دما، چرخش و میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی به‌کار گرفته می‌شود.
• برای آزمایش و نهایتاً بهره‌برداری از تحولات جدید، شرکت‌ها به مهارت‌های داخلی و همکاری با بازیگران تثبیت‌شده نیاز خواهند داشت. حتی اگر کاربردها در نگاه اول دور به نظر برسند، زمان آماده‌سازی نزدیک است.