Quantum Sensing Testbed

Thema:: Quantumtechnologie

TNO wil het naar de markt brengen van quantumsensoren versnellen door een open testfaciliteit te ontwikkelen waarbij we samenwerken met universiteiten, bedrijven en eindgebruikers om quantumsensor- technologie te ontwikkelen en te testen.

Wat zijn quantumsensoren?

Net als andere biologische organismen gebruiken wij onze zintuigen voortdurend om informatie te verzamelen over de wereld om ons heen. Tijdens dit ‘sensatie’ proces ontvangen onze zintuigen prikkels van buitenaf en zetten deze om in een signaal dat onze hersenen kunnen verwerken. Ons detectievermogen is echter beperkt, en voor het waarnemen van bijvoorbeeld kleine fluctuaties in magnetische of elektrische velden moeten we sensorapparatuur gebruiken. Deze apparaten werken op dezelfde manier, door het ontvangen van een stimulus uit de omgeving en deze om te zetten in een (elektrisch) signaal, dat we vervolgens kunnen uitlezen en begrijpen.

Quantumsensoren zijn sensoren waarbij quantummechanische effecten zoals coherentie en verstrengeling worden gebruikt om stimuli in elektrische signalen om te zetten. Dit verbetert de werking van de sensoren, waardoor een hogere resolutie bereikt kan worden en gevoeligere metingen mogelijk zijn. Quantumsensoren kunnen nauwkeuriger, efficiënter en betrouwbaarder zijn, met praktische toepassingen op veel gebieden, van betere navigatie- en radarsystemen tot verbeterde medische detectieapparatuur en de mogelijkheid om klimaatverandering nauwkeuriger waar te nemen.

De marktontwikkeling voor quantumsensoren versnellen

Doordat veel fysieke systemen als quantumsensor gebruikt kunnen worden bestaat er een grote verscheidenheid aan sensoren met verschillende toepassingen. Dit maakt ‘quantum sensing’ een relatief volwassen technologie, met ontwikkelingsstadia die gaan van uitgedachte theoretische ideeën naar commerciële producten. Om echter het volledige potentieel van deze technologie te bereiken zal meer onderzoek gedaan moeten worden. Hierbij is samenwerking tussen de academische wereld, de industrie en andere sectoren essentieel om zo nieuwe toepassingen te identificeren, te ontwikkelen en hun maatschappelijke impact te garanderen.

Bij TNO willen we het proces van het naar de markt brengen van quantumsensoren versnellen door het opzetten van een open testfaciliteit. Met steun van Quantum Delta NL en in samenwerking met de TU Delft werken we aan deze testbed-faciliteit waar universiteiten, bedrijven en eindgebruikers kunnen samenwerken om de technologie en haar toepassingen te ontwikkelen.

NV-based quantum sensors

De instrumenten in onze testfaciliteit zijn gebaseerd op ‘Nitrogen Vacancy’ (NV)-centres’ in diamant. Dit zijn defecten in het diamantrooster, waar een stikstofatoom en een ‘vacancy’ (dat wil zeggen een ontbrekend atoom) twee koolstofatomen vervangen. Deze NV-centres kunnen licht uitstralen op een manier die afhankelijk is van externe parameters zoals microgolven of magnetische velden. Door het uitgaande licht te meten, kunnen zo zwakke magnetische velden met hoge resolutie gedetecteerd worden. De instrumenten in onze test-faciliteit gebruiken diamanten voorzien van zowel één enkel NV-centre als diamanten met ensembles van NV's om zo magnetische velden, stroom, rotatie en temperaturen te detecteren. Elk instrument heeft andere specificaties en toepassingen, zoals hieronder weergegeven.

Quantum Scensing picture — Twee wetenschappers werken aan Quantum Sensing

Quantum sensing instrumenten

Scanning probe microscope

Voorzien van een diamant met een enkel NV-centre, dit instrument kan niet-destructief en met hoge resolutie magnetische velden, stromen en temperaturen meten. Dit geavanceerde instrument combineert elementen van een ‘atomic force microscope’ (AFM) met een diamant met één enkel NV-centre. Dit maakt het mogelijk om de NV-sensor over je sample te scannen en een beeld te creëren van het magnetische veld dat door het sample wordt geproduceerd. Hierdoor kunnen metingen met hoge resolutie van magnetische velden, stromen en temperaturen gedaan worden, wat belangrijk is voor de metrologie van 2D-materialen en de karakterisering van halfgeleiderapparaten.

Compact Vectorial Magnetometer (1)

Met behulp van een ensemble aan NV-centra op een macroscopisch stukje diamant kunnen deze compacte instrumenten vectoriële magnetische velden met hoge gevoeligheid meten. In tegenstelling tot de scanning probe microscoop maakt deze compacte magnetometer gebruik van een diamant voorzien van een ensemble aan ‘NV-centres’. Hierdoor is een compacte opstelling mogelijk die zeer gevoelig is voor de sterkte en richting van magnetische velden. Door de metingen van het lokale magnetische veld te vergelijken met een kaart van het magnetische veld van dat gebied, kan dit instrument worden gebruikt voor navigatie zonder dat daarvoor GPS-systemen nodig zijn. Een ander voordeel van het compacte karakter van deze instrumenten is dat ze in andere systemen kunnen worden geïntegreerd, waardoor dit een aantrekkelijke technologie is voor de auto- en medische industrie.

Wide Field Magnetometer Dit apparaat maakt gebruik van een diamant met een ensemble aan ‘NV-centres’ als ‘samplehouder’. Door deze diamant dicht bij het monster te plaatsen en met een CCD-camera het uitgezonden licht van de NV-centra te meten, kan het magnetische veld en de stroom door het sample in één beeld worden weergegeven. Deze techniek maakt het meetproces zeer efficiënt, met een resolutie die wordt bepaald door die van het beeldvormingssysteem en de camera.

Wat betekent dit?

TNO wil de drempel voor het ontwikkelen en testen van quantumsensortechnologie verlagen door betaalbare toegang tot kennis te bieden, en daarmee noodzaak om te investeren in dure apparatuur weg te nemen. Op zoek naar sensor gerichte oplossingen of meer weten over quantumsensoren en onze instrumenten? Neem dan contact met ons op.