近日，美國能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院、NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)組成的一支科研團(tuán)隊(duì)宣布開發(fā)出基于量子傳感技術(shù)的超導(dǎo)微線單光子探測器（SMSPD），可實(shí)現(xiàn)粒子物理實(shí)驗(yàn)中的時(shí)空同步高精度追蹤。

▲ SMSPD 可以精確地探測單個(gè)粒子。圖片來源：美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

該技術(shù)首次在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室完成帶電粒子束測試，時(shí)空分辨率實(shí)現(xiàn)雙重突破。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《儀器儀表學(xué)雜志》（IT之家附 DOI 10.1088/1748-0221/20/03 / P03001）。

SMSPD 與超導(dǎo)納米線單光子探測器相似，后者在量子網(wǎng)絡(luò)和天文學(xué)實(shí)驗(yàn)中已有應(yīng)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(shí)驗(yàn)。在測試中，研究團(tuán)隊(duì)首次探測了帶電粒子，這一能力在量子網(wǎng)絡(luò)或天文學(xué)應(yīng)用中并非必需，但在粒子物理實(shí)驗(yàn)中卻至關(guān)重要。

據(jù)官方介紹，研究團(tuán)隊(duì)在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明，與傳統(tǒng)探測器相比，該探測器在探測粒子時(shí)效率極高。

SMSPD 還能在空間和時(shí)間上更精確地探測粒子。當(dāng)研究人員分析高速碰撞后飛出的粒子束時(shí)，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(jī)（FCC）和 μ 子對撞機(jī)等尖端項(xiàng)目，解決高能對撞中每秒數(shù)百萬次事件的精準(zhǔn)追蹤難題，甚至延伸至量子網(wǎng)絡(luò)（INQNET 計(jì)劃）與深空通信領(lǐng)域。

加州理工學(xué)院陳尚義物理學(xué)教授 Maria Spiropulu 表示：“未來 20-30 年粒子對撞機(jī)能量與強(qiáng)度將發(fā)生范式轉(zhuǎn)變，量子傳感技術(shù)將為暗物質(zhì)探測、時(shí)空起源研究提供關(guān)鍵工具?！?

由于能同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的時(shí)空分辨率，研究團(tuán)隊(duì)將 SMSPD 稱為“四維傳感器”。技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)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(gè)個(gè)體的面容，也需要每秒拍攝數(shù)十幀的高速連拍，否則目標(biāo)人物可能在下一個(gè)瞬間就消失在茫茫人海中。