能源部新的研究中心將專注于開發(fā)這些工具。位于伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的量子傳感和量子材料中心匯集了來自 UIUC、美國能源部的 SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的專家。

科學(xué)家們說，要充分了解量子材料的隱藏秘密，需要一個(gè)人才能知道一個(gè)秘密：只有同樣適用于量子原理的工具才能讓我們到達(dá)那里。

一個(gè)新的能源部研究中心將專注于開發(fā)這些工具。位于伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的量子傳感和量子材料中心匯集了來自 UIUC、美國能源部的 SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的專家。

他們將致力于開發(fā)三種量子傳感設(shè)備：掃描量子位顯微鏡，一種利用糾纏電子對的光譜儀器，以及另一種利用來自 SLAC 的 X 射線自由電子激光器的光子對探測材料的儀器，直線加速器相干光源，最近在升級后重新開放。

這些新技術(shù)將使研究人員能夠更詳細(xì)地了解為什么量子材料會做出奇怪的事情，為發(fā)現(xiàn)新的量子材料和發(fā)明對它們的行為更敏感的探測器鋪平道路。

這項(xiàng)工作是了解非常規(guī)超導(dǎo)體背后的原子級過程，這些超導(dǎo)體在相對較高的溫度下無電阻地導(dǎo)電；拓?fù)浣^緣體，沿其邊緣無損耗地傳輸電流；和奇怪的金屬，它們在冷卻時(shí)超導(dǎo)，但在較高溫度下具有奇怪的特性。

“令人興奮的是，這個(gè)中心讓我們有機(jī)會創(chuàng)造一些新的量子測量技術(shù)來研究與能量相關(guān)的量子材料，”中心主任、UIUC 物理學(xué)教授彼得阿巴蒙特在新聞稿中說。

“我們經(jīng)常陷入使用相同舊測量的循環(huán) - 不是因?yàn)槲覀儾恍枰�新類型的信息或知識，而是因?yàn)殚_發(fā)技術(shù)既昂貴又耗時(shí)，”Abbamonte 說。他說，新中心將使科學(xué)家能夠通過解決更大的問題來推動量子測量的發(fā)展。

量子材料之所以得名，是因?yàn)樗鼈兊钠娈愄匦栽从陔娮雍推渌�遵守量子力學(xué)規(guī)則的現(xiàn)象的協(xié)同行為，而不是支配我們?nèi)粘Ｉ�活的熟悉的牛頓物理定律。這些材料最終可能會對未來的能源技術(shù)產(chǎn)生巨大影響——例如，通過允許人們長距離傳輸電力而基本上沒有損失，并使運(yùn)輸更加節(jié)能。

但是，量子材料可能包含奇異的、重疊的物質(zhì)狀態(tài)的混雜混合物，這些物質(zhì)很難用傳統(tǒng)工具進(jìn)行分類。

“在量子世界中，一切都變得糾纏不清，因此一個(gè)物體的邊界開始與另一個(gè)物體的邊界重疊，”SLAC 教授 Thomas Devereaux 說，他是在新中心合作的六名 SLAC 和斯坦福研究人員之一。“我們將使用各種工具和技術(shù)來探索這種糾纏。”

量子傳感器并不是什么新鮮事。它們包括半個(gè)世紀(jì)前發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置或 SQUID，用于檢測極小的磁場，以及超導(dǎo)過渡邊緣傳感器，其中包含 SQUIDS 以檢測天文學(xué)、核不擴(kuò)散、材料分析和國土防御中的微小信號。

在基本層面上，它們通過將傳感器置于已知的量子狀態(tài)并允許它與感興趣的對象交互來操作。這種相互作用改變了量子系統(tǒng)的狀態(tài)，測量系統(tǒng)的新狀態(tài)揭示了傳統(tǒng)方法無法獲得的有關(guān)物體的信息。

在其中一項(xiàng)正在開發(fā)的技術(shù)中，掃描量子位顯微鏡，量子傳感器將由一個(gè)或多個(gè)放置在探針尖端并在材料表面上移動的量子位組成。量子比特是量子信息的基本單位，就像普通計(jì)算機(jī)內(nèi)存中在 0 和 1 之間來回翻轉(zhuǎn)的比特一樣。但量子比特同時(shí)作為 0 和 1 狀態(tài)的疊加而存在。例如，掃描儀的量子比特可能由單個(gè)氫原子組成，其單個(gè)電子的自旋同時(shí)存在于上、下以及介于兩者之間的所有可能狀態(tài)。

“你可以嘗試將量子比特傳感器與你正在研究的材料的量子態(tài)糾纏在一起，這樣你就可以感知材料中量子態(tài)的糾纏，”斯坦福大學(xué)副教務(wù)長兼研究主任凱瑟琳·莫勒說。“如果我們能做到這一點(diǎn)，那就太酷了�！�