Quantum Sensing in Satellite-based Earth Observation

Abstract

Earth observation allows the Earth’s physical, chemical, and biological properties to be monitored. Different sensors are used to acquire knowledge and the data is applied across several fields. To enhance the measurements and get even better data, quantum sensors could be employed.

This Bachelor’s thesis constructs an overview of what quantum sensing is and how it can be used in satellite-based Earth observation. Moreover, it investigates if quantum sensors can solve the current problems in the field of satellite-based Earth observation or provide additional enhancements. This is done by conducting a literature review on the most recent advancements in quantum sensors and the possibilities they offer for satellite-based applications.

The analysis of quantum sensors in this thesis focuses on quantum magnetometers and atom interferometers, which can be used for magnetic field and gravity measurements. These sensors were chosen because they have already acquired more precise measurements in their respective fields than their classical counterparts. Also, the interest and research in the field suggest that they are the most promising ones for space applications. The reports and future plans for enhancing satellite-based Earth observation mainly include sensors to measure gravity and magnetic fields. Thus, regarding the Earth observation gravity and magnetic measurements are the main focus of this thesis. In addition, quantum illumination is presented because it is an integral part of the quantum sensing field, even if the development of practically applicable sensors is in the early stages.

The study shows that the main challenges that Earth observation missions face are the low spatial resolution and high noise in the measurements. The presented quantum sensors promise to fix these issues by increasing the signal-to-noise ratio and acquiring data with higher spatial resolution. The development of satellite missions using quantum sensors is still very new and at the moment the missions are only simulated. The next steps in the development would be to optimize the sensors, to minimize the size, and to scale the technology for satellite constellations.

Maan havainnoinnin (engl. Earth observation) avulla voidaan tarkkailla Maan fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia ominaisuuksia. Tätä tietoa kerätään erilaisilla sensoreilla ja niistä saatua dataa käytetään usealla eri alalla. Mittausten tehostamiseksi ja entistä paremman datan saamiseksi voidaan hyödyntää kvanttisensoreita.

Tämä kandidaatintutkielma rakentaa yleiskuvan siitä, mitä kvanttihavainnoiminen (engl. quantum sensing) on ja miten sitä voitaisiin hyödyntää satelliitteihin pohjautuvassa Maan havainnoinnissa. Lisäksi tutkielman tavoitteena on tutkia voivatko kvanttisensorit ratkaista Maan havainnoinnissa käytettävien satelliittisensoreiden tämänhetkisiä ongelmia tai voivatko ne muuten parantaa havainnointia. Tämä tehdään suorittamalla kirjallisuuskatsaus viimeisimpiin edistysaskeliin kvanttisensoreissa ja niiden luomiin mahdollisuuksiin satelliiteilla tehtävään havainnointiin.

Tässä tutkielmassa esitellään kvanttisensoreista vain kvanttimagnetometrit sekä atomi-interferometrit, joita voidaan käyttää magneettikenttien ja painovoiman mittaamiseen. Nämä sensorit on valittu, koska niillä on jo saatu tarkempia mittaustuloksia kuin niiden klassisilla vastineilla. Myös alan tutkimus ja kiinnostus näihin sensoreihin osoittaa, että ne ovat kaikista lupaavimpia avaruuden käyttötarkoituksia varten. Satelliitteihin pohjautuvan Maan havainnoinnin kehityksestä kertovat raportit ja tulevaisuudensuunnitelmat nostavat esille pääasiassa painovoimaa ja magneettikenttää mittaavat sensorit. Siksi tämä tutkielma keskittyy Maan havainnoinnin osalta painovoiman ja magneettikentän mittaukseen ja niissä käytettäviin sensoreihin. Tämän lisäksi kvanttivalaisu (engl. quantum illumination) on esitelty, koska se on olennainen osa kvanttihavainnointia, vaikka kvanttivalaisua hyödyntävien käytännön sovellusten kehitys on vasta alkuvaiheessa.

Tutkimus osoittaa, että Maan havainnointimissioiden suurimmat haasteet ovat matala spatiaalinen resoluutio ja mittausten korkea kohina. Esitellyt kvanttisensorit kuitenkin lupaavat korjata nämä ongelmat suuremmalla signaalikohnasuhteella ja keräämällä dataa korkeammalla spatiaalisella resoluutiolla. Kvanttisensoreita hyödyntävien satelliittimissioiden kehitys on vielä uutta ja tällä hetkellä missiot ovat vain simuloituja. Seuraavat askeleet kehityksessä ovat sensorien optimointi, koon minimointi ja teknologian skaalaaminen satelliittikonstellaatioille.