De ontwikkelingen ten aanzien van quantumsensoren gaan snel, maar een groot aantal potentiële gebruikers is zich hiervan nog onvoldoende bewust. Om de vaart erin te krijgen, startte TNO in Delft het Quantum Sensing Testbed. Hier kunnen bedrijven aan de slag met drie instrumenten gebaseerd op het quantumsysteem NV-centers. Doel is use cases onderwerpen aan de mogelijkheden, om zo te komen tot nieuwe proofs of concept en het uitvoeren van haalbaarheidsstudies.
In het Delftse Quantum Sensing Lab hebben bedrijven toegang tot meerdere instrumenten om hun quantumideeën vorm te geven.
– ’We zijn steeds beter geworden in het doorgronden en beheersen van de processen rond quantumtechnologie.’
– ‘Quantumsensoren brengen toepassingen binnen bereik die voorheen ondenkbaar waren.’
– ‘De nauwkeurigheid van de sensoren kan oplopen tot in het nanobereik.’
– Er is sprake van een enorm braakliggend terrein dat interessant is voor toegepast onderzoek.
Bij quantumtechnologie denken veel mensen in eerste instantie aan de quantumcomputer: een serieuze belofte voor de toekomst, maar nog verre van toegankelijk voor het ‘normale’ bedrijfsleven. Quantumtechnologie is echter aanzienlijk breder dan de gelijknamige computer en lang niet zo ver weg als het soms lijkt. Zowel nationaal als internationaal zijn relevante stappen gezet, waardoor quantumtechnologie inmiddels is uitgegroeid tot een bewezen technologie met vele praktische toepassingen.
Een mooi voorbeeld hiervan zijn quantumsensoren. Hoewel deze al relatief lang bestaan en onderscheidende voordelen bieden, zijn ze toch nog niet zo bekend dat ze op grote schaal worden toegepast. Clara Osorio Tamayo, een van de wetenschappers binnen TNO Delft die toegepast onderzoek doet naar quantumtechnologie, weet: ‘Quantum bestaat zelfs al meer dan honderd jaar. De afgelopen decennia zijn we steeds beter geworden in het doorgronden en beheersen van de bijbehorende processen. Daardoor kunnen we ze ook steeds beter toepassen in concrete oplossingen en de ontwikkeling van nieuwe producten.’
Wat is een quantumsensor?
Net als andere sensoren zijn quantumsensoren in staat om een bepaalde stimulus (bijvoorbeeld temperatuur of druk) om te zetten in een elektrisch signaal. Dit gebeurt in één of meer stappen door middel van omvormers. Een van de eigenschappen van een quantumsensor is dat minimaal één zo’n omvormer een zogeheten quantumsysteem is. Deze systemen kenmerken zich door deeltjes – ionen, fotonen, elektronen of quantumdots – met discrete energieniveaus. Die deeltjes zijn gevoelig voor bepaalde externe stimuli, ongeacht het energieniveau waarin zij zich bevinden.
‘Quantumsensoren die we op basis van NV-centers ontwerpen, zijn breed toepasbaar’
Osorio Tamayo: ‘Omdat we steeds beter in staat zijn de enkelvoudige quantumsystemen te begrijpen en te beheersen, kunnen we quantumsystemen beter inzetten voor sensoren die bijvoorbeeld temperatuur, straling, versnelling, tijd of elektrische en magnetische velden waarnemen.’
Waarom zouden we?
De grootheden die Osorio Tamayo noemt, zijn op dit moment ook uitstekend met reguliere sensoren te meten. Dat roept de vraag op waarom we zo veel tijd en geld zouden moeten stoppen in quantumsensoren. Wilbert Staring, director business development Quantum Technology bij TNO, kent de vraag en het antwoord. ‘Er zijn verschillende redenen om onderzoek te doen naar de ontwikkeling, productie en toepassing van dit type sensoren. Ten eerste zijn ze – afhankelijk van de businesscase – goedkoper. Maar ze kunnen ook draagbaarder zijn en hebben een langere levensduur, waardoor toepassingen binnen bereik komen die voorheen ondenkbaar waren.’
Een mooi voorbeeld is het uitvoeren van gravitatiemetingen in de kratermond van een vulkaan waar de sensoren gedurende langere tijd volledig geïsoleerd verbleven. ‘Daarbij kan de nauwkeurigheid oplopen tot in het nanobereik en zijn de sensoren in bepaalde gevallen ook aanzienlijk gevoeliger. Dit levert belangrijke voordelen op voor bijvoorbeeld de medische en halfgeleiderindustrie, communicatie, instrumentatie en materiaalonderzoek’, aldus Staring.
NV-center
Het aantal quantumsystemen dat geschikt is om te gebruiken als quantumsensor, is bijzonder groot. Er is dus sprake van een enorm braakliggend terrein dat interessant is voor toegepast onderzoek. Reden voor TNO om een nieuw quantum sensing-lab in te richten, waarin de quantumsystemen NV-centers verder worden onderzocht. Dit onder meer op basis van de langdurige samenwerking met de TU Delft als leidend onderzoeksinstituut op het vlak van NV-centers. En uiteraard voor en in samenwerking met het bedrijfsleven.
NV-centers zijn defecten in een diamantrooster waar twee aangrenzende koolstofatomen zijn vervangen door een stikstofatoom en een vrije ruimte (N = nitrogen, V = vacancy). Deze defecten fluoresceren. Dat betekent dat ze rood licht genereren wanneer ze worden beschenen met een groene laser. Bijzonder is dat het fluorescerende effect verandert wanneer ook microgolven worden toegepast. Door de variatie op de emissie als functie van de frequentie van toegepaste microgolven te bestuderen, wordt informatie verkregen over het magnetische veld en de temperatuur die het diamantrooster ervaart.
Osorio Tamayo: ‘Dat we uit de enorme hoeveelheid mogelijkheden specifiek voor NV-centers hebben gekozen, hangt onder meer samen met het feit dat deze sensoren werken bij kamertemperatuur. Verder is het een bewezen techniek en kunnen we in samenwerking met andere partners alle beschikbare kennis en ervaring bundelen.’ De eigenschap dat deze sensoren werken bij kamertemperatuur is van belang omdat veel quantumsensoren het alleen doen bij (extreem) lage temperaturen of bijvoorbeeld in vacuüm. ‘Dat maakt testen lastiger en duurder. Verder zijn NV-centers gevoelig voor een groot aantal gangbare grootheden zoals magnetische en elektrische velden, temperatuur, druk en rotatie. Met andere woorden: de quantumsensoren die we op basis van dit systeem ontwerpen, zijn breed toepasbaar’, aldus Osorio Tamayo.
Quantum Sensing Testbed
Het opzetten van een Quantum Sensing Testbed helpt de industrialisatie van quantumsensoren te versnellen en potentiële partners voor TNO te identificeren. Staring: ‘Wanneer je als bedrijf quantumtechnologie wilt inzetten, zul je moeten investeren in dure quantumapparaten en kennis om de juiste metingen uit te voeren en te controleren. Door deze apparatuur, maar vooral ook de expertise beschikbaar te stellen, kunnen we het bedrijfsleven ondersteunen in de doorontwikkeling van hun eigen ideeën, de validatie ervan of de uitvoering van haalbaarheidsonderzoeken. Daarbij kunnen we verschillende belangrijke TNO-expertises op hoog technologisch niveau combineren, waaronder optische mechatronica, nanotechnologie en optica.’
Hooggevoelige magnetometers maken het mogelijk om op termijn te navigeren zonder gps.
De aankomende jaren wordt het Quantum Sensing Testbed ingezet om sensing- en meetinstrumenten van Europese fabrikanten te benchmarken en relevante use cases te valideren. Verder wordt gefocust op haalbaarheidsstudies en het meten van materiaaleigenschappen. Daarbij is de verwachting dat er steeds meer tijd gespendeerd kan worden aan het daadwerkelijk testen en dat de noodzaak om technologische ontwikkelingen te doen afneemt.
Navigeren zonder gps
Voor deze onderzoeken zijn drie typen instrumenten beschikbaar. Allereerst een scanning probe-microscoop die is uitgerust met een sonde met een enkel NV-centrum. Dit apparaat maakt niet-destructief onderzoek mogelijk naar de structuur van materialen. Dit door het meten van magnetische velden, elektrische stromen en temperaturen met een resolutie van ongeveer 50 nm en een gevoeligheid voor magnetische velden van zo’n 5 µT/√Hz.
Het tweede type instrument betreft hooggevoelige magnetometers. Deze apparaten gebruiken grotere stukken diamant met miljoenen defecten, die fungeren als miljoenen parallelle sensoren, wat de gevoeligheid vergroot. Een van de toepassingen ligt in het meten van de magnetische velden van het aardoppervlak waarmee het uiteindelijk mogelijk moet zijn te navigeren zónder gps.
Breedveldmicroscopen vormen de derde categorie instrumenten. Hierbij is de monsterhouder vervangen door een stukje diamant met wederom een samenstelling van NV-center. De gevoeligheid en nauwkeurigheid liggen iets lager en het apparaat is geschikt om op een oppervlak van maximaal 3 bij 3 mm magnetische velden, stromen en temperaturen te meten.
Link magazine september/oktober 2023. Thema: de heilige graal van volledige digitale integratie. Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op bij mireille.vanginker@linkmagazine.nl
Staring: ‘Iedere partij die met ons wil samenwerken op het gebied van quantumsensoren, is welkom. Ook mkb’ers. Neem gerust contact op om de mogelijkheden af te tasten en een inschatting te maken hoe vruchtbaar een samenwerking kan zijn.’
Netwerk Qu-Test
Eind 2022 is TNO geselecteerd om leiding te geven aan een door de Europese Commissie gefinancierd netwerk van acht Europese onderzoeks- en technologieorganisaties en drie nationale meetinstituten. Doel: ontwikkelingen in de quantumtechnologiesector stimuleren door middel van testen en experimenten. Deze bundeling van expertise onder de naam Qu-Test moet ontwikkelingen versnellen en zorgen dat apparaten sneller in de praktijk worden ingezet.
De Qu-Test-partners richten zich op basis van hun expertise op drie hoofdthema’s: rekenen (computing), communiceren en voelen (sensing). Bij het Quantum Computing Testbed worden cryogene quantumapparaten, cryogene qubits (zoals super- en halfgeleidende qubits), fotonische qubits en ionenvallen gemeten, gekarakteriseerd en gevalideerd. Het Quantum Communication Testbed is in eerste instantie gericht op apparaten voor Quantum Key Distribution en Quantum Random Number Generation, omdat deze de basis vormen voor ultraveilige quantumcommunicatie. Het Quantum Sensing Testbed – waar de in dit artikel besproken TNO-variant er één van is – richt zich op de benchmarking van sensing- en meetinstrumenten van Europese fabrikanten en valideert relevante use cases voor de sector met behulp van quantumsensoren.
