Специалисты из Университета Гриффита в сотрудничестве с австралийской научно-исследовательской организацией CSIRO разработали инновационную высокоточную технологию научных измерений. Данная технология базируется на использовании одиночного атома в качестве чувствительного элемента, что позволяет датчику фиксировать силы с пределом чувствительности менее 100 зептоньютонов. Применение миниатюрных сегментированных линз Френеля обеспечивает получение высококачественных изображений атома, позволяя определять смещение его положения с нанометровой точностью во всех трех пространственных измерениях. “У атома датчика отсутствует один электрон, таким образом, он очень чувствителен по отношению к электрическим полям” – рассказывает доктор Эрик Стрид (Dr Erik Streed), ученый из Центра квантовой динамики, – “Измеряя смещение положения атома, мы можем с очень высокой точностью вычислить величину действующих на атом сил электрической природы”.

“100 зептоНютонов – это очень маленькая сила. Она эквивалентна силе притяжения, возникающей между двумя людьми, находящимися на разных сторонах Австралии” – рассказывает доктор Стрид, – “Датчик, обеспечивающий такую разрешающую способность, может использоваться для исследований того, что происходит на поверхности материалов, которые могут быть использованы для создания миниатюрных квантовых вычислительных и других устройств”.

Исследователи из Гриффита имеют достаточно богатый опыт использования линз Френеля в квантовой физике. Они начали работать с такими линзами с 2011 года, но данный случай является первым разом использования этих линз для получения высокой точности измерений сил, действующих на единственный атом. Преднамеренно создав небольшую расфокусировку оптической системы, ученые смогли измерить значение смещения положения атома в трех измерениях. Это смещение измерялось как изменение уровня расфокусировки изображения атома.

“Дальнейшее развитие данной технологии может привести к созданию нового инструмента, способного измерять электрические поля, создаваемые единственной изолированной от окружающей среды биомолекулы. Это, в свою очередь, позволит нам узнать намного больше о функциях и поведении каждого вида таких молекул”. Отметим, что новая технология измерения сил является развитием технологий предыдущего поколения, в которых в качестве чувствительного элемента использовались группы атомов и которые могли измерять силы только в одном из пространственных измерений.

Для любознательных

Квантовые сенсоры — приборы для измерения характеристик физических полей, которые отличаются повышенной чувствительностью и точностью. В них, как правило, единичный атом или ансамбль атомов являются детекторами физических полей, а детектирование происходит по изменению спектральных свойств атомов. kommersant.ru

Некоторые разработки в этой области, которые ведутся в России:

• Прототип квантового компьютера на одиночных нейтральных атомах рубидия. Учёные Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Российского квантового центра создали и успешно протестировали такое устройство в декабре 2024 года.
• Атомный чип, который в 2021 году продемонстрировали в Институте спектроскопии РАН. Отличительная особенность созданного чипа –  возможность пропускать высокие токи (до 3 А) через микропровода с шириной 100 мкм в непрерывном режиме.
• Нанометровая линейка на основе атомных ступеней, которую в 2023 году разработали новосибирские физики. Такие меры охватывают диапазон от сотых долей нанометра до десятков нанометров и могут использоваться для усовершенствования и калибровки измерительного оборудования, развития физических основ новой электроники.

По информации на декабрь 2025 года, в России разрабатываются, в частности, такие квантовые сенсоры:

• Малогабаритный инерциальный измерительный модуль на ядерном магнитном гироскопе для высокодинамичных объектов.
• Сверхкомпактный лазерный гироскоп.
• Квантовые сенсоры и термометры на основе сверхпроводящих туннельных наноструктур.
• Квантовый скалярный навигационный магнитометр.
• Сверхразрешающий спектрометр с квантово-ограниченным шумом.
• Перебазируемый атомный гравиметр.

Также ведётся разработка атомных часов и атомных гравиметров для мобильных платформ, что позволит повысить точность навигационных систем. Ещё один отечественный квантовый сенсор на основе холодных атомов будет исследовать влияние трения в верхних слоях атмосферы на траекторию движения орбитальных аппаратов.

К 2030 году планируется создать четыре опытных и два внедрённых образца квантовых сенсоров.