การวัดสนามแม่เหล็กเชิงควอนตัม

จากความสำเร็จเมื่อไม่นานมานี้ในการวัดสนามแม่เหล็กเชิงควอนตัมให้มีแม่นยำในระดับที่ต่ำกว่าเฟมโตเทสลา ซึ่งที่เกิดขึ้นได้ในสภาวะปลอดจากการหย่อนคลายเนื่องจากการแลกเปลี่ยนสปิน (spin-exchange relaxation free, SERF) ทำให้สามารถวัดค่าสนามแม่เหล็กที่มีค่าต่ำมากซึ่งด้วยเทคโนโลยีเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเดิมนั้นจะไม่สามารถวัดได้ แม้กระนั้นมีข้อจำกัดเชิงทฤษฎีที่ทำให้ไม่สามารถวัดค่าสนามแม่เหล็กที่ในระดับที่ต่ำกว่าอัตโตเทสลา (10^-15 Tesla) เซนเซอร์สนามแม่เหล็กเชิงควอนตัมนี้สามารถถูกย่อขนาดให้เล็กลงได้ ซึ่งจะทำให้เกิดบรรทัดฐานใหม่ในการตรวจวัดสนามแม่เหล็กสำหรับงานด้านต่างๆที่เกี่ยงข้อง ทั้งนี้ส่วนประกอบและอุปกรณ์ส่วนใหญ่ของเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเชิงควอนตัมนั้นสามารถพัฒนาได้ที่ศูนย์วิจัยเทคโนโลยีควอนตัม มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ส่งผลให้การพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างเซนเซอร์สนามแม่เหล็กเชิงควอนตัมนั้นเป็นไปได้ด้วยราคาที่เหมาะสม

การประยุกต์ทางการแพทย์

เครื่องสแกนสมองและหัวใจ

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กเชิงอะตอมที่มีความไวสูงจะถูกพัฒนาให้สามารถบันทึกสัญญาณคลื่นแม่เหล็กจากสมองและหัวใจได้ เมื่อนำเซนเซอร์หลายตัวมาประกอบเข้าด้วยกัน คล้ายกับตัวต่อ LEGO สามารถนำมาใช้สแกนวัดสัญญาณคลื่นแม่เหล็กสำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่ การตรวจวัดสัญญาณคลื่นแม่เหล็กเชิงควอนตัมนั้นจะทำให้ “เห็น” ว่ามีอะไรเกิดขึ้นภายในสมองซึ่งเป็นระบบที่ประกอบด้วยเซลล์ประสาท 86 พันล้านตัวที่มีจำนวนจุดเชื่อมโยงมากถึง 10¹⁵ จุด โดยเป็นการตรวจวัดจากภายนอกแบบไม่รุกล้ำร่างกาย

เทคโนโลยีควอนตัม: ความหนาแน่นสนามแม่เหล็กที่มีผลต่อกลุ่มอะตอมรูบิเดียม-85 ซึ่งอยู่ในสภาวะ SERF จะถูกวัดผ่านการบันทึกการเปลี่ยนแปลงความเข้มของเลเซอร์เนื่องจากการหมุนของแกนโพลาไรเซชันของอะตอม

ผลกระทบทางตรงต่อสังคมs: การตรวจวินิจฉัยและการรักษาโรคสำหรับโรคทางสมองในระยะแรก ได้แก่ การบาดเจ็บในสมอง ลมบ้าหมู กล้ามเนื้ออ่อนแรง ปลอกประสาทในสมองเสื่อม โรคสมองเสื่อม รวมทั้งการเสื่อมของระบบประสาท พากินสัน โรคฮันติงตัน ออทิสซึม โรคอัลไซเมอร์ โรคสมองฝ่อ

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: การควบคุมสมองแบบไร้สาย การเชื่อมต่อระหว่างเครื่องจักรกลกับสมองเพื่อควบคุมอาวุธ การตรวจจับการพูดเท็จ การตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กสมอง การตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กหัวใจ การตรวจวัดกิจกรรมทางแม่เหล็กอย่างอ่อนที่เกี่ยวข้องกับสมองและหัวใจซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีที่ใช้ควบคุมคลื่นพัลซ์ทางไฟฟ้าของสมองอย่างสิ้นเชิง

 

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: –

 

ระบบสนับสนุน: –

 

 

ภาพที่ 1 (ซ้าย) สัญญาณแม่เหล็กที่ซับซ้อนจากสมองจะถูกวัดได้ที่สถาบันวิจัยทางการแพทย์พราลิน (Fralin Biomedical Research Institute) (ขวา) โครงการของ DARPA ที่จะทำการอ่านความคิดของทหาร

 

Ref: https://www.eurekalert.org/multimedia/785549 ; https://www.militaryaerospace.com/home/article/14033740/mindcontrolled-weapons-link-human-brains-and-machines-nonsurgical

 

 

ภาพที่ 2 การควบคุมความคิดผ่านการเชื่อมต่อระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ในสนามรบ โครงการของ DARPA ที่จะทำการเชื่อมต่อระหว่างสมองกับเครื่องจักรกลเพื่อควบคุมอาวุธผ่านความคิด

 

Ref: https://eandt.theiet.org/content/articles/2019/05/darpa-funds-brain-machine-interface-project-for-controlling-weapons-via-thoughts/

 

การประยุกต์ใช้ด้านการป้องกันและความปลอดภัย

 

การตรวจจับวัตถุระเบิด

 

งานวิจัยมุ่งเป้าที่ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีมาตรวิทยาควอนตัมเกี่ยวข้องกับความก้าวหน้าครั้งใหญ่ด้านการวัดสนามแม่เหล็กโดยใช้อะตอม อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็กย่านคลื่นวิทยุคือหัวใจของเครื่องตรวจจับวัตถุระเบิดที่ทำให้สามารถเห็นสิ่งที่ไม่เคยเห็นได้จากระยะไกล

 

เทคโนโลยีควอนตัม: พัลส์คลื่นแม่เหล็กสั่นช้า ๆ ที่ส่งออกมาจากการเปลี่ยนสถานะแบบเกิดได้เองสี่ขั้วจากนิวเคลียสของไนโตรเจน-14 จะเป็นสภาวะแอเดียแบติกสำหรับการเลื่อนระดับพลังงานละเอียดไฮเปอร์ของอะตอมรูบิเดียม-85 ปรากฏการณ์ทัศนศาสตร์เชิงแม่เหล็กทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของดรรชนีหักแหแสงของกลุ่มหมอกอะตอมและส่งผลให้ความเข้มแสงเลเซอร์ที่พุ่งผ่านกลุ่มหมอกของอะตอมที่มีสปินทิศทางเดียวกันเปลี่ยนไปในเวลา ความเข้มแสงที่ได้รับการบันทึกไว้จะบอกถึงปริมาณไนโตรเจน-14 ในอากาศที่มากเกินปกติ ที่อาจระเหยมาจากวัตถุระเบิดที่ใช้ปุ๋ยเคมีเป็นสารตั้งต้น

 

ผลกระทบทางตรงต่อสังคม: ตรวจจับวัตถุระเบิดที่ใช้ปุ๋ยเคมีเป็นสารตั้งต้น และบรรจุภัณฑ์ที่เป็นสารแม่เหล็กจากระยะห่างมากกว่า 20 เมตร

 

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: การทำงานร่วมกันระหว่างสถาบันศึกษาและประชาคมหน่วยข่าวกรอง / หน่วยสืบสวนคดีพิเศษ

 

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: –

 

ระบบสนับสนุน: –

 

 

ภาพที่ 3 (ซ้าย) การใช้งานเครื่องตรวจจับวัตถุระเบิดแบบรามานจะคล้ายคลึงกับการใช้อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็กย่านคลื่นวิทยุแบบพกพา (ขวา) ผู้ก่อการร้ายใช้อุปกรณ์จุดระเบิดแสวงเครื่องในการจุดฉนวนระเบิดแบบใช้ปุ๋ยเคมีเป็นสารตั้ง บันนังสตา, ยะลา

 

อ้างอิง: https://www.epequip.com/catalogue/all-hazards-cbrne/detection-diagnostics/explosive/pried/ ; https://mgronline.com/south/detail/9620000069657

 

การสำรวจโครงสร้างใต้ดิน

 

การสำรวจแบบไม่รุกล้ำเพื่อสร้างภาพโครงสร้างใต้ดินและเห็นปฏิบัติการแบบเวลาจริงใต้ผิวโลก

 

เทคโนโลยีควอนตัม: การเลื่อนออกของระดับพลังงานซีมานของอะตอมรูบิเดียม-85 เนื่องจากความผันผวนของสนามแม่เหล็กโลกสามารถวัดได้อย่างละเอียดโดยการสเกนคลื่นวิทยุและวัดความเข้มแสงทะลุผ่านในขณะทำการปั๊มสถานะอะตอม

 

ผลกระทบทางตรงต่อสังคม: ตำแหน่งสายเคเบิล ท่อร้อยสาย และหลุมยุบ การอพยพของอาชญากรและผู้ลี้ภัย ตรวจหาโพลงใต้ดิน

 

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: มอนิเตอร์การเคลื่อนย้ายกำลังพล ตรวจจับโลหะ

 

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: –

 

ระบบสนับสนุน: –

 

 

ภาพที่ 4: งานก่อสร้างถนนบนสินทรัพย์ใต้ดินของราชการ

 

Ref: https://www.gov.uk/government/publications/national-underground-asset-register-project-update/national-underground-asset-register-project-update

 

วิทยุควอนตัม

 

สัญญาณวิทยุเชิงควอนตัม (Quantum Radio) หรือ วิทยุควอนตัม มีความสามารถในการปรับคลื่นสัญญาณวิทยุแถบกว้างครอบคลุมย่านความถี่ ตั้งแต่ 3 Hz ถึง 300 GHz เพื่อใช้สำหรับการรับ-ส่งข้อมูลด้วยการล๊อคความถี่ที่มีความแม่นยำสูง วิทยุควอนตัมที่อาศัยการวัดสนามแม่เหล็ก (magnetometry) นี้ มีข้อเด่นกว่าการรับส่งข้อมูลแบบดั่งเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแลกเปลี่ยนระหว่างแถบความกว้างสัญญาณและความไวต่อสัญญาณ โดยอาศัยวิทยุควอนตัมทำให้สามารถทำการเชื่อมต่อการสื่อสารระหว่างกันในพื้นที่ที่ยากต่อการเข้าถึงสำหรัยสัญญาณวิทยุแบบดั่งเดิมเช่น พื้นที่ภายใต้หุบเขา ใต้ซากอาคาร ใต้ดินและใต้น้ำ โดยไม่มีความคลาดเคลื่อนหรือการปรับเทียบใดๆ

 

เทคโนโลยีควอนตัม: สัญญาณพัลส์แม่เหล็กที่มอดูเลตแบบดิจิทัล เช่น บิตดิจิทัล ถูกนำมาใช้เพื่อปรับอัตราการหมุนควงเชิงสปิน ของอะตอมรูบิเดียม-85 (rubidium-85) ที่เกิดจากขบวนการ pump เชิงแสง สัญญาณไฟฟ้าสำรองที่เกิดขึ้นจะถูกทำการวัดสัญญาณโดยอาศัยเครื่องตรวจจับเชิงแสงราคาประหยัด

 

ผลกระทบทางตรงต่อสังคม: ระบบการสื่อสารโดยวิทยุควอนตัมสามารถนำมาใช้เพื่อ สื่อสารกับ คนงานในเหมืองแร่ เรือเดินสมุทร ทีมกู้ภัยในพื้นที่ที่การสื่อสารแบบปรกติเข้าถึงยาก เช่น ในหุบเขา ใต้ซากปรักหักพัง ภายในอาคาร รวมทั้งใต้ดิน และใต้น้ำ

 

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: สามารถนำมาใช้งานในสภาพแวดล้อมทีมีความเสี่ยงสูงและสัญญาณรบกวนที่ถูกสร้างขึ้น รวมถึงการนำไปประยุกติ์ใช้งานสำหรับ ดาราศาสตร์วิทยุ และทางการแพทย์ เช่น เครื่อง MRI

 

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: –

 

ระบบสนับสนุน: –

 

หมายเหตุ: ในระบการสื่อสารแบบดั้งเดิมนั้น ค่าความลึกในการทะลุทะลวง (Penetration Depth) ผ่านวัสดุสามารถถูกปรับให้ให้สูงขึ้นได้ โดยใช้คลื่นความถี่ต่ำ ๆ แต่มีต้นทุนในการผลิตสูง เพราะจำเป็นต้องใช้สายอากาศ (Antenna) ขนาดใหญ่ เครื่องขยายสัญญาณ และ ระบบการสายอากาศหลายตัว (multi-antenna systems)

 

 

 

 

ภาพที่ 5 อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็กโดยใช้วิทยุควอนตัม สามารถทำการวิเคราะห์ความถี่สเปกตรัมแบบเต็มคลื่นของความถี่วิทยุ และสันญาณที่เกิดขึ้นจริงในโลก (real world signal) ซึ่งสามารถนำมาประยุกติ์ใช้ได้กับการสื่อสารทางการทหาร การรับรู้           สเปรกตรัม และระบบิเล็กทรอนิกส์ทางการสงคราม อ้างอิง: https://phys.org/news/2021-02-quantum-entire-radio-frequency-spectrum.html