美國科研團隊開發(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、加州理工學院、NASA噴氣推進實驗室等機構組成的科研團隊，成功開發(fā)出基于量子傳感技術的超導微線單光子探測器（SMSPD）。該探測器可在粒子物理實驗中實現時空同步的高精度粒子追蹤，相關研究成果已發(fā)表于《儀器儀表學雜志》（DOI:10.1088/1748-0221/20/03/P03001）。技術突破：時空分辨率雙重提升
在費米實驗室進行的帶電粒子束測試中，SMSPD展現出突破性性能。研究團隊將其暴露于高能質子束、電子束和π介子束環(huán)境下，結果表明，與傳統(tǒng)探測器相比，該傳感器不僅粒子探測效率極高，更實現了空間和時間維度的雙重精度突破。SMSPD的設計靈感源于超導納米線單光子探測器（常用于量子網絡和天文學），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雜粒子軌跡的追蹤。與傳統(tǒng)設備相比，SMSPD能夠精準記錄粒子碰撞后的運動軌跡，為解析高能物理事件的細節(jié)提供了關鍵數據支撐。
應用前景：適配下一代尖端科學裝置
該技術的核心優(yōu)勢在于其“四維傳感”能力——同時實現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裝置的理想配套技術，可有效解決高能對撞中每秒數百萬次事件的精準追蹤難題。此外，研究團隊指出，SMSPD的技術原理還可延伸至量子網絡（如INQNET計劃）與深空通信領域，為跨學科研究提供新工具。加州理工學院物理學教授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變，以SMSPD為代表的量子傳感技術，將成為暗物質探測、時空起源研究等前沿領域的關鍵突破口。”
技術驗證：類比與實際應用價值
技術驗證項目負責人、費米實驗室科學家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，又需要每秒數十幀的高速連拍捕捉動態(tài)，否則目標可能瞬間消失。SMSPD正是通過‘高分辨率成像’與‘高速采樣’的結合，實現了對粒子運動的精準鎖定。”此項研究不僅為粒子物理學提供了革命性探測工具，也標志著量子傳感技術從實驗室走向復雜科學場景的重要突破，有望推動基礎物理研究與新興技術應用的深度融合。