科学家们开始寻求开发用于探测量子材料的量子传感器

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巴纳-香槟分校的量子传感和量子材料中心汇集了来自 UIUC、美国能源部的 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的专家。

科学家们说，要充分了解量子材料的隐藏秘密，需要一个人才能知道一个秘密：只有同样适用于量子原理的工具才能让我们到达那里。

一个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巴纳-香槟分校的量子传感和量子材料中心汇集了来自 UIUC、美国能源部的 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的专家。

他们将致力于开发三种量子传感设备：扫描量子位显微镜，一种利用纠缠电子对的光谱仪器，以及另一种利用来自 SLAC 的 X 射线自由电子激光器的光子对探测材料的仪器，直线加速器相干光源，最近在升级后重新开放。

这些新技术将使研究人员能够更详细地了解为什么量子材料会做出奇怪的事情，为发现新的量子材料和发明对它们的行为更敏感的探测器铺平道路。

这项工作是了解非常规超导体背后的原子级过程，这些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；和奇怪的金属，它们在冷却时超导，但在较高温度下具有奇怪的特性。

“令人兴奋的是，这个中心让我们有机会创造一些新的量子测量技术来研究与能量相关的量子材料，”中心主任、UIUC 物理学教授彼得阿巴蒙特在新闻稿中说。

“我们经常陷入使用相同旧测量的循环 - 不是因为我们不需要新类型的信息或知识，而是因为开发技术既昂贵又耗时，”Abbamonte 说。他说，新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，而不是支配我们日常生活的熟悉的牛顿物理定律。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，通过允许人们长距离传输电力而基本上没有损失，并使运输更加节能。

但是，量子材料可能包含奇异的、重叠的物质状态的混杂混合物，这些物质很难用传统工具进行分类。

“在量子世界中，一切都变得纠缠不清，因此一个物体的边界开始与另一个物体的边界重叠，”SLAC 教授 Thomas Devereaux 说，他是在新中心合作的六名 SLAC 和斯坦福研究人员之一。“我们将使用各种工具和技术来探索这种纠缠。”

量子传感器并不是什么新鲜事。它们包括半个世纪前发明的超导量子干涉装置或 SQUID，用于检测极小的磁场，以及超导过渡边缘传感器，其中包含 SQUIDS 以检测天文学、核不扩散、材料分析和国土防御中的微小信号。

在基本层面上，它们通过将传感器置于已知的量子状态并允许它与感兴趣的对象交互来操作。这种相互作用改变了量子系统的状态，测量系统的新状态揭示了传统方法无法获得的有关物体的信息。

在其中一项正在开发的技术中，扫描量子位显微镜，量子传感器将由一个或多个放置在探针尖端并在材料表面上移动的量子位组成。量子比特是量子信息的基本单位，就像普通计算机内存中在 0 和 1 之间来回翻转的比特一样。但量子比特同时作为 0 和 1 状态的叠加而存在。例如，扫描仪的量子比特可能由单个氢原子组成，其单个电子的自旋同时存在于上、下以及介于两者之间的所有可能状态。

“你可以尝试将量子比特传感器与你正在研究的材料的量子态纠缠在一起，这样你就可以感知材料中量子态的纠缠，”斯坦福大学副教务长兼研究主任凯瑟琳·莫勒说。“如果我们能做到这一点，那就太酷了。”