科学家放大接近量子顶点的超导传感器阵列信号

超导传感器收集为表征材料而产生的 X 射线或伽马射线光子。使用微波多路复用器和新的基于量子的放大器进行放大，可提高信号的分辨率，而不会引入背景噪声。图片来源：美国国家标准与技术研究院

了解能量在材料中的运动方式是研究量子现象、催化反应和复杂蛋白质的基础。测量能量如何移动包括将特殊的 X 射线照射到样品上以启动反应。

然后，探测器收集反应发出的辐射。传统传感器通常缺乏这些研究所需的灵敏度。一种解决方案是使用超导传感器。但是，放大来自这些传感器的信号是一项重大挑战。

在量子计算技术进步的基础上，研究人员增加了一种特殊类型的放大器，即超导行波参量放大器。虽然大多数放大器会在测量中增加噪声，但这些放大器几乎是无噪声的。研究人员取得了一项重大进展，表明放大器可以在 4 开尔文下工作，这被认为是相对较高的工作温度。

降低信号处理过程中增加的噪声可以提高传感器的性能。放大使每个传感器都能运行得更快、更灵敏。

实验表明，参量放大器可以同时分析来自许多超导传感器的信号。超导传感器在非常低的温度下工作。在这些温度下，参量放大器具有非常好的噪声性能，接近量子力学的顶点。这一进步为将此类放大器与各种传感器技术集成铺平了道路。

超导传感器由超导温度计和吸收器组成。当X射线停止在吸收器中时，它们会改变传感器的超导状态。这会在电路中产生小电流。

为了使探测器更加灵敏，许多传感器被排列成一个阵列，就像在数码相机中一样。

超导传感器在非常低的温度（约0.09开尔文）下工作，因此它们需要专门的读出电子设备和放大器。这些放大器需要将来自多个传感器的信号组合在一条读出线上。组合信号称为多路复用。

一种有效的方法是将阵列中的每个传感器耦合到谐振器。所有谐振器都耦合到一条输出线路上。吸收光子产生的电流以独特的方式改变每个传感器的谐振频率。

由于这些谐振器在微波频率下工作，因此包含所有谐振器以及输出馈线的电子芯片称为微波多路复用器。

研究人员正准备测量来自传感器阵列和带有读出链的微波多路复用器的信号，其放大器是动感行波参量放大器，而不是传统的半导体放大器。使用参数放大器将降低读出噪声，并实现更大的更快传感器阵列。

研究人员于 2022 年在 Physical Review Applied 和 2021 年的 PRX Quantum 上发表了他们的研究。

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