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 國家加速器實驗室、斯坦福大學和伊利諾伊大學芝加哥分校的專家。

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

一個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 國家加速器實驗室、斯坦福大學和伊利諾伊大學芝加哥分校的專家。

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。

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

“令人興奮的是，這個中心讓我們有機會創(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) - 不是因為我們不需要新類型的信息或知識，而是因為開發(fā)技術(shù)既昂貴又耗時，”Abbamonte 說。他說，新中心將使科學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，是因為它們的奇異特性源于電子和其他遵守量子力學規(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)工具進行分類。

“在量子世界中，一切都變得糾纏不清，因此一個物體的邊界開始與另一個物體的邊界重疊，”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�！拔覀儗⑹褂酶鞣N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。它們包括半個世紀前發(fā)明的超導量子干涉裝置或 SQUID，用于檢測極小的磁場，以及超導過渡邊緣傳感器，其中包含 SQUIDS 以檢測天文學、核不擴散、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或多個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，就像普通計算機內(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氫原子組成，其單個電子的自旋同時存在于上、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，”斯坦福大學副教務(wù)長兼研究主任凱瑟琳·莫勒說�！叭绻�我們能做到這一點，那就太酷了。”