科学家开始寻求开发用于探测量子材料的量子传感器

科学家们说，要完全理解量子材料的隐秘秘密，需要一个人知道：只有能够在量子原理上运行的工具才能使我们到达那里。新的能源部研究中心将专注于开发这些工具。位于伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的量子传感和量子材料中心汇集了来自UIUC，美国能源部SLAC国家加速器实验室，斯坦福大学和伊利诺伊州芝加哥大学的专家。图片来源：Caitlin Kengle / UIUC

科学家们说，要完全理解量子材料的隐藏秘密，就需要一个人知道这一点：只有能够在量子原理上运行的工具才能使我们到达那里。

能源部新的研究中心将专注于开发这些工具。位于伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的量子传感和量子材料中心汇集了来自UIUC，美国能源部SLAC国家加速器实验室，斯坦福大学和伊利诺伊州芝加哥大学的专家。

他们将致力于开发三种最先进的量子传感设备：扫描量子比特显微镜，利用纠缠电子对的光谱仪器，以及另一种利用SLAC X射线自由电子激光中的成对光子探测材料的仪器，直线加速器相干光源，最近在升级后重新打开。

这些新技术将使研究人员能够更详细地了解量子材料为何会做奇怪的事情，从而为发现新的量子材料和发明更灵敏的行为探针铺平了道路。

这项工作将着重于理解非常规超导体背后的原子级过程，这些非导体超导体在相对较高的温度下无电阻地导电。拓扑绝缘体，沿其边缘无损耗地传输电流；以及奇怪的金属，它们在冷却时会超导，但在更高的温度下却具有奇怪的特性。

UIUC中心的物理学教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）在新闻稿中说：“令人兴奋的是，这个中心使我们有机会创造出一些真正的量子测量技术来研究与能量有关的量子材料。”

Abbamonte说：“我们经常陷入使用相同的旧测量的周期中-不是因为我们不需要新的信息或知识，而是因为开发技术既昂贵又费时。” 他说，新的中心将使科学家能够通过解决更大的问题来推动量子测量的发展。

量子材料之所以得名，是因为它们的奇异特性源于电子和其他遵守量子力学规则的现象的协同行为，而不是控制我们日常生活的熟悉的牛顿物理学定律。这些材料最终可能会对未来的能源技术产生巨大影响，例如，允许人们在长距离内传输电力而基本上没有任何损失，并使运输更加节能。

但是，量子材料可能包含奇特的，重叠的物质状态的混杂混合物，而这些物质很难用常规工具进行分类。

SLAC和斯坦福大学六位研究人员之一在新中心合作的SLAC教授Thomas Devereaux说：“在量子世界中，所有事物都纠缠在一起，因此一个物体的边界开始与另一物体的边界重叠。” “我们将使用各种工具和技术来探测这种纠缠。”

量子传感器并不是什么新鲜事物。它们包括半个世纪前发明的用于探测极小的磁场的超导量子干扰设备或SQUID，以及结合了SQUIDS的超导过渡边缘传感器，用于探测天文学，核不扩散，材料分析和国土防御中的微小信号。

在基本级别上，它们通过将传感器置于已知的量子状态并使其与感兴趣的对象进行交互来进行操作。相互作用改变了量子系统的状态，而测量系统的新状态则揭示了用传统方法无法获得的有关物体的信息。

在一种正在开发的技术中，扫描量子比特显微镜，量子传感器将由一个或多个量子比特组成，这些量子比特放置在探针的尖端并在材料表面上移动。量子位是量子信息的基本单位，就像普通计算机内存中在0和1之间来回翻转的位一样。但是，量子位以零和1状态的叠加形式存在。扫描仪的量子位可能由单个氢原子组成，例如，其单个电子的自旋同时以向上，向下和所有可能的状态存在。

斯坦福大学副教务长兼研究部主任凯瑟琳·莫勒说：“您可以尝试使量子位传感器与正在研究的材料的量子态纠缠在一起，从而实际上可以感知到材料内部的量子态纠缠。” “如果我们能够做到这一点，那将真的很酷。”

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