美國科研人員開發(fā)出新型量子傳感器，提升粒子探測時空精度

美國能源部費米實驗室、加州理工學院、NASA 噴氣推進實驗室等機構組成的一支科研團隊宣布開發(fā)出基于量子傳感技術的超導微線單光子探測器（SMSPD），可實現(xiàn)粒子物理實驗中的時空同步高精度追蹤。

▲ SMSPD 可以精確地探測單個粒子。圖片來源：美國費米實驗室

該技術首次在費米實驗室完成帶電粒子束測試，時空分辨率實現(xiàn)雙重突破。相關研究成果已發(fā)表于《儀器儀表學雜志》（IT之家附 DOI 10.1088/1748-0221/20/03 / P03001）。

SMSPD 與超導納米線單光子探測器相似，后者在量子網(wǎng)絡和天文學實驗中已有應用。然而，SMSPD 具有更大的表面積，能收集更多粒子噴流，更適合用于粒子物理實驗。在測試中，研究團隊首次探測了帶電粒子，這一能力在量子網(wǎng)絡或天文學應用中并非必需，但在粒子物理實驗中卻至關重要。

據(jù)官方介紹，研究團隊在美國費米實驗室測試了 SMSPD。他們將量子傳感器暴露在高能質(zhì)子束、電子束和 π 介子束下，結果表明，與傳統(tǒng)探測器相比，該探測器在探測粒子時效率極高。

SMSPD 還能在空間和時間上更精確地探測粒子。當研究人員分析高速碰撞后飛出的粒子束時，他們希望精確追蹤這些粒子的軌跡，以便更好理解碰撞過程和可能產(chǎn)生的新物理現(xiàn)象。SMSPD 為這一需求提供了有力支持。

該成果有望適配未來環(huán)形對撞機（FCC）和 μ 子對撞機等尖端項目，解決高能對撞中每秒數(shù)百萬次事件的精準追蹤難題，甚至延伸至量子網(wǎng)絡（INQNET 計劃）與深空通信領域。

加州理工學院陳尚義物理學教授 Maria Spiropulu 表示：“未來 20-30 年粒子對撞機能量與強度將發(fā)生范式轉(zhuǎn)變，量子傳感技術將為暗物質(zhì)探測、時空起源研究提供關鍵工具�！�

由于能同時實現(xiàn)更好的時空分辨率，研究團隊將 SMSPD 稱為“四維傳感器”。技術驗證項目負責人、費米實驗室科學家 Cristián Pe a 解釋稱，這就像在繁忙的中央車站追蹤一名混入人群的嫌疑人，既需要高清畫面看清每個個體的面容，也需要每秒拍攝數(shù)十幀的高速連拍，否則目標人物可能在下一個瞬間就消失在茫茫人海中。