科學(xué)家們說，要完全理解量子材料的隱秘秘密，需要一個人知道：只有能夠在量子原理上運行的工具才能使我們到達(dá)那里。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)厄本那-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SLAC國家加速器實驗室，斯坦福大學(xué)和伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的專家。圖片來源：Caitlin Kengle / UIUC

科學(xué)家們說，要完全理解量子材料的隱藏秘密，就需要一個人知道這一點：只有能夠在量子原理上運行的工具才能使我們到達(dá)那里。

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)厄本那-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SLAC國家加速器實驗室，斯坦福大學(xué)和伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的專家。

他們將致力于開發(fā)三種最先進(jìn)的量子傳感設(shè)備：掃描量子比特顯微鏡，利用糾纏電子對的光譜儀器，以及另一種利用SLAC X射線自由電子激光中的成對光子探測材料的儀器，直線加速器相干光源，最近在升級后重新打開。

這些新技術(shù)將使研究人員能夠更詳細(xì)地了解量子材料為何會做奇怪的事情，從而為發(fā)現(xiàn)新的量子材料和發(fā)明更靈敏的行為探針鋪平了道路。

這項工作將著重于理解非常規(guī)超導(dǎo)體背后的原子級過程，這些非導(dǎo)體超導(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；以及奇怪的金屬，它們在冷卻時會超導(dǎo)，但在更高的溫度下卻具有奇怪的特性。

UIUC中心的物理學(xué)教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）在新聞稿中說：“令人興奮的是，這個中心使我們有機(jī)會創(chuàng)造出一些真正的量子測量技術(shù)來研究與能量有關(guān)的量子材料�！�

Abbamonte說：“我們經(jīng)常陷入使用相同的舊測量的周期中-不是因為我們不需要新的信息或知識，而是因為開發(fā)技術(shù)既昂貴又費時。” 他說，新的中心將使科學(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，是因為它們的奇異特性源于電子和其他遵守量子力學(xué)規(guī)則的現(xiàn)象的協(xié)同行為，而不是控制我們?nèi)粘Ｉ�活的熟悉的牛頓物理學(xué)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，允許人們在長距離內(nèi)傳輸電力而基本上沒有任何損失，并使運輸更加節(jié)能。

但是，量子材料可能包含奇特的，重疊的物質(zhì)狀態(tài)的混雜混合物，而這些物質(zhì)很難用常規(guī)工具進(jìn)行分類。

SLAC和斯坦福大學(xué)六位研究人員之一在新中心合作的SLAC教授Thomas Devereaux說：“在量子世界中，所有事物都糾纏在一起，因此一個物體的邊界開始與另一物體的邊界重疊�！� “我們將使用各種工具和技術(shù)來探測這種糾纏。”

量子傳感器并不是什么新鮮事物。它們包括半個世紀(jì)前發(fā)明的用于探測極小的磁場的超導(dǎo)量子干擾設(shè)備或SQUID，以及結(jié)合了SQUIDS的超導(dǎo)過渡邊緣傳感器，用于探測天文學(xué)，核不擴(kuò)散，材料分析和國土防御中的微小信號。

在基本級別上，它們通過將傳感器置于已知的量子狀態(tài)并使其與感興趣的對象進(jìn)行交互來進(jìn)行操作。相互作用改變了量子系統(tǒng)的狀態(tài)，而測量系統(tǒng)的新狀態(tài)則揭示了用傳統(tǒng)方法無法獲得的有關(guān)物體的信息。

在一種正在開發(fā)的技術(shù)中，掃描量子比特顯微鏡，量子傳感器將由一個或多個量子比特組成，這些量子比特放置在探針的尖端并在材料表面上移動。量子位是量子信息的基本單位，就像普通計算機(jī)內(nèi)存中在0和1之間來回翻轉(zhuǎn)的位一樣。但是，量子位以零和1狀態(tài)的疊加形式存在。掃描儀的量子位可能由單個氫原子組成，例如，其單個電子的自旋同時以向上，向下和所有可能的狀態(tài)存在。

斯坦福大學(xué)副教務(wù)長兼研究部主任凱瑟琳·莫勒說：“您可以嘗試使量子位傳感器與正在研究的材料的量子態(tài)糾纏在一起，從而實際上可以感知到材料內(nèi)部的量子態(tài)糾纏�！� “如果我們能夠做到這一點，那將真的很酷。”