Кванты на службе геологоразведки
Как квантовые сенсоры помогают в геофизических исследованиях: введение в тему
Чтобы находить экономически выгодные для отработки месторождения полезных ископаемых, приходится применять все более изощренные методы. Так, в геофизику пришли квантовые сенсоры. Приборы на их базе гораздо чувствительнее и позволяют зафиксировать аномалии, которые ранее применявшиеся приборы могли пропустить. Таким образом увеличивается вероятность обнаружить геологически интересный объект.
Просто сместить фокус
Идею квантовых сенсоров ученые почерпнули из квантовой информатики. Для обработки информации в квантовых процессорах используются методы, нацеленные на максимальную изоляцию квантовых объектов от внешнего мира: квантовые объекты настолько малы, что при взаимодействии с ним возникает нарушение квантового состояния кубитов, провоцирующее ошибки. Причинами могут выступать, например, давление, магнитное или электрическое поле.
Как следствие, возникла идея сместить фокус внимания с обработки информации на детектирование ошибок. «Если вы сфокусируетесь на ошибках и, понимая их природу, сделаете их измеряемыми величинами, то создадите сенсоры», — говорит Алексей Акимов, руководитель научной группы квантового проекта, занимающейся квантовыми симуляторами и интегрированной фотоникой.
Более точная геофизика
Идея использовать физические явления для изучения литосферы и поисков полезных ископаемых не нова. Занимается этим геофизика. Видов исследований множество: сейсмо-, магнито-, электро-, радиометрические и другие. Благодаря методам, пришедшим из квантовой информатики, квантовые сенсоры измеряют точнее. Они чувствительнее, производительнее и потому показывают лучшие результаты, чем классические приборы. Так, современные квантовые магнитометры обеспечивают расстояние между точками съемки порядка 0,5–1 м и выполняют до сотни измерений в секунду.
На разной базе
Центры окраски в алмазе — это дефекты в кристаллической решетке алмаза, возникающие из-за включения атомов других элементов, например азота или кремния, в кристаллическую решетку алмаза. Название они получили благодаря тому, что поглощают и переизлучают свет в узком частотном диапазоне с определенным цветом. Благодаря природному атомарному строению, наличию спина и других особенностей с центрами окраски в алмазе можно выполнять квантовые операции и передавать квантовое состояние на расстояние при помощи излучения. С помощью центров окраски в алмазе точно измеряют частоты, температуры, электрические и магнитные поля. Их используют, например, в биосенсорах — для измерения параметров живых клеток.
Справка
Квантовые сенсоры для геофизических исследований создают на разной физической основе — сверхпроводниках, холодных атомах, фотонах, центрах окраски в алмазе, интегральной оптике. Причем разные физические принципы подходят для разных сенсоров. Например, на холодных атомах и центрах окраски в алмазе разрабатываются сенсоры магнитного поля. Центры окраски в алмазе также используют для термометрии. Холодные атомы — для гравиметрии. А сенсоры на интегральной волоконной оптике определяют составы газов.
В России над квантовыми сенсорами, которые можно использовать в геологоразведке, работают несколько научных групп. Например, во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений разрабатывается квантовый гравиметр. Научная группа Алексея Акимова работает с азот-вакантными центрами окраски в алмазе и присматривается к сенсорам на холодных атомах. Его коллеги трудятся над интегрально-оптическими и фотонными сенсорами. «Сенсоры — развитие нашей научной деятельности, а не внешний заказ, — признает Алексей Акимов. — Они у нас получились, а дальше мы начали думать об их применении».
Некоторые квантовые системы, например центры окраски в алмазе, удобны тем, что многие манипуляции можно проводить при обычной комнатной температуре. Другие системы, например холодные атомы, как следует из названия, надо охлаждать — с помощью лазеров. Однако современные технологии позволяют устанавливать такие лазеры на чипе, поэтому устройство остается компактным. «Охлаждают только атомы в небольшом вакуумном объеме, весь прибор работает при комнатной температуре», — поясняет Алексей Акимов.
Как это работает
Приборы на основе квантовых сенсоров используют на земле и с воздуха, чтобы выявить перспективные объекты на мало- или совсем не изученных площадях, создавая тем самым основу для дальнейших геологоразведочных работ. Магнитометры используют для поиска месторождений железной руды, а в составе электромагнитных систем опрокидывания по оси Z (ZTEM) — для поиска золота и полиметаллов. С помощью гравиметров определяют изменения в плотности, это помогает обнаруживать нефтяные и газовые месторождения, так как в местах их залегания плотность ниже. Впрочем, эти же приборы можно использовать и на более поздних стадиях геологоразведки, во время буровых работ, опуская их в скважины и замеряя показатели на разной глубине.
В России квантовые сенсоры в геологоразведке применяют около 10 лет. Так, квантовые магнитометры с рубидиевым датчиком использует компания «Геоскан». В 2017 году она выполнила заказ на аэромагнитную съемку в Восточном Казахстане. Заказчик искал золоторудное месторождение. Съемку вели с беспилотника на малой высоте. Сравнили результаты с наземной магнитометрией с применением обычных датчиков — и сделали выбор в пользу квантового. Объем выполненных работ за несколько полевых сезонов составил несколько тысяч погонных километров. «Магниторазведка — это один из ключевых методов, позволяющий построить объективную структурную карту. Многие месторождения золота связаны со структурным паттерном, который хорошо виден в магнитном поле, — рассказывает президент компании «Космогеология» Сергей Кожевников, выступавший тогда на стороне заказчика. — Детальная карта магнитного поля дала возможность провести детальную почвенную геохимию и наземную электроразведку. Аномалии, выявленные во время этих исследований, позволили нам точно определить места для буровых скважин и точно пересечь золоторудную минерализацию».
В мире направление квантовой сенсорики для геологоразведки тоже активно развивается. Например, проект «Спутник», использующий большое количество квантовых сенсоров (магнитометры, гравиметры и проч.) для составления карт полезных ископаемых.
Согласно федеральному проекту «Прикладные исследования и перспективные разработки» национального проекта «Экономика данных и цифровая трансформация государства» с 2026 года госкорпорация «Росатом» присоединяется к исследованиям и разработкам в области квантовых сенсоров. В этом направлении при координации «Росатома» и с участием ряда российских вузов, институтов и организаций планируется начало проведения НИОКР по разработке прототипов квантовых сенсоров. С 2029 года запланировано начало внедрения в отраслях экономики прототипов сверхвысокоточных датчиков и устройств, использующих квантовые эффекты, — с характеристиками лучше, чем на классических принципах. За счет внедрения и опытного использования квантовых сенсоров в 10 и более раз должна быть повышена точность измерений на предприятиях в ключевых отраслях экономики.
Справка
Интерес есть
До прибора, пригодного для реальных геологоразведочных работ, команде Алексея Акимова пока далеко: «Надо интегрировать сенсоры в систему, а ее — в готовое откалиброванное устройство с понятной методикой работы», — говорит он. Его группа создала лабораторный прототип датчика. «Мы проверяли: если поднести к нему кусок металла, наш сенсор его детектирует, отличает магнитные металлы от немагнитных. К автомобилю датчик тоже подносили — сенсор реагирует», — отмечает Алексей Акимов.
Следующий этап — создание полноценного прибора в кооперации с заинтересованным заказчиком-недропользователем. Предварительный интерес и даже готовность купить несколько приборов есть.
Кроме геологоразведки
Магнитометры можно использовать не только в геологоразведке, но и в навигации, причем не только морской, но и городской. «Сделать наземную навигационную сеть, которой не нужен GPS, кажется вполне неплохой идеей, — комментирует Алексей Акимов. — Примеры уже есть. В Австралии небольшое судно вышло из порта, прошло некоторое расстояние без GPS и вернулось».
