Nowatorskie zastosowania metod przetwarzania sygnałów w celu usprawnienia działania sensorów kwantowych

Jak fizyka kwantowa może zrewolucjonizować badania ludzkiego mózgu?

Wyobraźmy sobie urządzenie, które można założyć na głowę jak czepek EEG, ale zamiast mierzyć jedynie powierzchniowe sygnały elektryczne, rejestruje z niezwykłą precyzją pole magnetyczne generowane przez głęboką aktywność mózgu – i to bez konieczności chłodzenia aparatury ciekłym helem oraz bez konieczności leżenia pacjenta nieruchomo w ogromnym szpitalnym aparacie. Budowa takiego urządzenia pomału staje się możliwa, dzięki postępom w metrologii kwantowej i nowoczesnym metodom przetwarzania sygnałów. Takiemu właśnie nowatorskiemu zastosowaniu służą badania nad usprawnieniem działania sensorów kwantowych prowadzone przez dr. Jana Kołodyńskiego z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Badania te są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG), w działaniu FIRST TEAM, realizowanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Żyjemy w czasach drugiej rewolucji kwantowej, czyli w erze, w której efekty kwantowe nie są już tylko fascynującą teorią, ale coraz częściej wkraczają do przemysłu, medycyny i codziennej technologii. Wykorzystywanie kwantowej natury rzeczywistości jest dziś fundamentem rozwoju czterech kluczowych obszarów: obliczeń i komputerów kwantowych, komunikacji kwantowej czyli przesyłania danych, szyfrowania czyli kryptografii kwantowej oraz kwantowego sensingu czyli metrologii kwantowej. Badania dr. Jana Kołodyńskiego dotyczą ostatniego z tych obszarów.

„Sensing kwantowy to sztuka wykorzystywania zjawisk kwantowych (jak np. splątanie czy superpozycja) do wykonywania niezwykle precyzyjnych pomiarów. Tradycyjne metody mają swoje ograniczenia, tzw. granice klasyczne. Tymczasem dzięki efektom kwantowym możemy je pokonać i uzyskać dokładność pomiarów, która jeszcze dekadę temu była wyłącznieteoretyczna. Jednym z najbardziej ekscytujących zastosowań metrologii kwantowej i tzw. sensorów atomowymi są pomiary pól magnetycznych, generowanych przez ludzki mózg” – mówi naukowiec.

Technologią, która pozwala z dużą precyzją analizować aktywność różnych obszarów mózgu jest magnetoencefalografia (MEG). W przeciwieństwie do EEG, które mierzy napięcia elektryczne na powierzchni czaszki, MEG mierzy pole magnetyczne generowane przez aktywność neuronalną wewnątrz mózgu. Obecne urządzenia MEG to ogromne, kosztowne systemy oparte na nadprzewodnikach, które muszą być schładzane do temperatur zbliżonych do zera absolutnego przy pomocy ciekłego helu. Taki sprzęt zajmuje całe pomieszczenia i wymaga tego, aby pacjent pozostawał nieruchomy przez długi czas. Na świecie, m.in. w Wielkiej Brytanii są już start-upy, które pracują nad stworzeniem nowoczesnych aparatów MEG opartych o niezwykle czułe sensory atomowe. Tego typu urządzenia są nieporównywalnie mniejsze – mieszczą się w walizce, a nawet mogą zostać założone na głowę pacjenta jak czepek do EEG. Nie wymagają długiego pozostawania bez ruchu (co jest szczególnie ważne przy badaniach neuroobrazowych wykonywanych u dzieci) ani chłodzenia kriogenicznego. Oznacza to, że w przyszłości mogą zrewolucjonizować diagnostykępsychiatryczną i neurologiczną i posłużyć do wykrywania różnych anomalii w aktywności mózgu, powiązanych np. z depresją lub schizofrenią.

„My chcemy pójść jeszcze o krok dalej – w kierunku opracowania kwantowych magnetoencefalografów drugiej generacji. Urządzenia, które obecnie są konstruowane nie wykorzystują bowiem w pełni efektów kwantowych, m.in. splątania kwantowego, a to właśnie ten efekt mógłby pozwolić na jeszcze dokładniejsze pomiary w czasie rzeczywistym. Ale samo zastosowanie bardzo czułych, w pełni kwantowych sensorów atomowych to nie wszystko. Im czulsze jest urządzenie, tym bardziej jest podatne na tzw. szum, czyli niepożądane zakłócenia sygnału, które mogą zaburzyć dokładność pomiarów. Dlatego w naszym projekcie skupiamy się na zagadnieniu nowatorskich metod przetwarzania sygnałów. Pracujemy nad tym, aby zbudować dynamiczne modele działania sensorów, które uwzględniają zarówno fizykę kwantową, jak i zaawansowane przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym. Takie modele pozwolą wyłowić istotne informacje uzyskiwane podczas pomiaru oraz dokładnie opisać, jak zmienia się w czasie pole magnetyczne emitowane przez mózg” – wyjaśnia dr Jan Kołodyński.

Projekt realizowany jest we współpracy z grupą badawczą z Barcelony oraz z partnerem gospodarczym. Długofalowym celem jest bowiem stworzeniem, miniaturyzacja i komercjalizacja mobilnych, niekriogenicznych sensorów kwantowych do badań mózgu.

Dr Jan Kołodyński ukończył studia z fizyki, informatyki i matematyki na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii, a stopień doktora uzyskał na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Następnie odbył czteroletni staż podoktorski w Instytucie Nauk Fotonicznych (ICFO) w Barcelonie w Hiszpanii. Pracował jako lider grupy badawczej „Laboratorium Kwantowej Informacji i Wnioskowania Statystycznego” w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego (CeNT UW), a od 2004 r. jest zatrudniony w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie. Laureat m.in. stypendium Cambridge European Trust, stypendium START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, europejskiego stypendium Marii Skłodowskiej-Curie oraz grantu HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Posiada bogaty dorobek naukowy obejmujący liczne publikacje i udział w wielu projektach badawczych.