科学家：寻求开发用于探测量子材料的量子传感器
量子感测领域涉及量子源（例如纠缠）和量子测量的设计与工程，这些量子源在许多技术应用中均能超越任何经典方法的性能，通过光子系统或固态系统来完成。量子传感器是对刺激做出反应的量子设备。
科学家们现在开始在寻求开发用于探测量子材料的量子传感器，以进一步理解量子材料的隐藏秘密，因为需要只有能够运行量子原理的工具才可能达到预定的目的。
美国新的能源部研究中心正在专注开发这些工具。总部位于伊利诺伊大学香槟分校的量子传感和量子材料中心汇集了来自能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、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射线自由电子激光器的光子对探测材料的仪器、与直线加速器相干光源，这些设备在升级后最近重新打开了。
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出奇怪的事情，从而为发现新的量子材料以及发明更为灵敏的行为探测器铺平了道路。
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，以及奇怪的金属在冷却时会超导，但在更高的温度下却具有奇怪的特性。
伊利诺伊大学香槟分校的量子传感和量子材料中心的物理学教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）表示：“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。”
他说：“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。”新的中心将允许科学家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，使输送更加节能。
但是，量子材料可能包含奇特的、重叠的物质状态的混合物，而这些物质很难用常规工具进行分类。
斯坦福大学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超导量子干涉仪，以及结合了超导量子干涉仪的超导过渡边缘传感器，用于探测天文学、核不扩散、材料分析和国防工业中的微小信号。
在基本级别上，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，量子位是同时存在零和1状态的叠加。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主任Kathryn Moler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。”
参考：phys.org/news/2020-10-scientists-quest-quantum-sensors-probing.html
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