美國科研團(tuán)隊開發(fā)新型量子傳感器，顯著提升粒子探測時空精度
近日，由美國能源部費米實驗室、加州理工學(xué)院、NASA噴氣推進(jìn)實驗室等機構(gòu)組成的科研團(tuán)隊，成功開發(fā)出基于量子傳感技術(shù)的超導(dǎo)微線單光子探測器（SMSPD）。該探測器可在粒子物理實驗中實現(xiàn)時空同步的高精度粒子追蹤，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《儀器儀表學(xué)雜志》（DOI:10.1088/1748-0221/20/03/P03001）。技術(shù)突破：時空分辨率雙重提升
在費米實驗室進(jìn)行的帶電粒子束測試中，SMSPD展現(xiàn)出突破性性能。研究團(tuán)隊將其暴露于高能質(zhì)子束、電子束和π介子束環(huán)境下，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)探測器相比，該傳感器不僅粒子探測效率極高，更實現(xiàn)了空間和時間維度的雙重精度突破。SMSPD的設(shè)計靈感源于超導(dǎo)納米線單光子探測器（常用于量子網(wǎng)絡(luò)和天文學(xué)），但其具備更大的表面積，可捕獲更多粒子噴流，尤其適用于粒子物理實驗中對復(fù)雜粒子軌跡的追蹤。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，SMSPD能夠精準(zhǔn)記錄粒子碰撞后的運動軌跡，為解析高能物理事件的細(xì)節(jié)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。
應(yīng)用前景：適配下一代尖端科學(xué)裝置
該技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其“四維傳感”能力——同時實現(xiàn)亞微米級空間分辨率和納秒級時間分辨率，如同為粒子運動拍攝“高清高速電影”。這種特性使其成為未來環(huán)形對撞機（FCC）、μ子對撞機等前沿科學(xué)裝置的理想配套技術(shù)，可有效解決高能對撞中每秒數(shù)百萬次事件的精準(zhǔn)追蹤難題。此外，研究團(tuán)隊指出，SMSPD的技術(shù)原理還可延伸至量子網(wǎng)絡(luò)（如INQNET計劃）與深空通信領(lǐng)域，為跨學(xué)科研究提供新工具。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授Maria Spiropulu表示：“未來20-30年，粒子對撞機的能量與強度將迎來范式轉(zhuǎn)變，以SMSPD為代表的量子傳感技術(shù)，將成為暗物質(zhì)探測、時空起源研究等前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵突破口。”
技術(shù)驗證：類比與實際應(yīng)用價值
技術(shù)驗證項目負(fù)責(zé)人、費米實驗室科學(xué)家Cristián Peña用生動比喻闡釋了SMSPD的優(yōu)勢：“這就像在繁忙的中央車站追蹤一名混入人群的嫌疑人——既需要高清畫面識別個體特征，又需要每秒數(shù)十幀的高速連拍捕捉動態(tài)，否則目標(biāo)可能瞬間消失。SMSPD正是通過‘高分辨率成像’與‘高速采樣’的結(jié)合，實現(xiàn)了對粒子運動的精準(zhǔn)鎖定。”此項研究不僅為粒子物理學(xué)提供了革命性探測工具，也標(biāo)志著量子傳感技術(shù)從實驗室走向復(fù)雜科學(xué)場景的重要突破，有望推動基礎(chǔ)物理研究與新興技術(shù)應(yīng)用的深度融合。