美国科研人员开发出新型量子传感器，提升粒子探测时空精度

美国能源部费米实验室、加州理工学院、NASA 喷气推进实验室等机构组成的一支科研团队宣布开发出基于量子传感技术的超导微线单光子探测器（SMSPD），可实现粒子物理实验中的时空同步高精度追踪。

▲ SMSPD 可以精确地探测单个粒子。图片来源：美国费米实验室

该技术首次在费米实验室完成带电粒子束测试，时空分辨率实现双重突破。相关研究成果已发表于《仪器仪表学杂志》（IT之家附 DOI 10.1088/1748-0221/20/03 / P03001）。

SMSPD 与超导纳米线单光子探测器相似，后者在量子网络和天文学实验中已有应用。然而，SMSPD 具有更大的表面积，能收集更多粒子喷流，更适合用于粒子物理实验。在测试中，研究团队首次探测了带电粒子，这一能力在量子网络或天文学应用中并非必需，但在粒子物理实验中却至关重要。

据官方介绍，研究团队在美国费米实验室测试了 SMSPD。他们将量子传感器暴露在高能质子束、电子束和 π 介子束下，结果表明，与传统探测器相比，该探测器在探测粒子时效率极高。

SMSPD 还能在空间和时间上更精确地探测粒子。当研究人员分析高速碰撞后飞出的粒子束时，他们希望精确追踪这些粒子的轨迹，以便更好理解碰撞过程和可能产生的新物理现象。SMSPD 为这一需求提供了有力支持。

该成果有望适配未来环形对撞机（FCC）和 μ 子对撞机等尖端项目，解决高能对撞中每秒数百万次事件的精准追踪难题，甚至延伸至量子网络（INQNET 计划）与深空通信领域。

加州理工学院陈尚义物理学教授 Maria Spiropulu 表示：“未来 20-30 年粒子对撞机能量与强度将发生范式转变，量子传感技术将为暗物质探测、时空起源研究提供关键工具。”

由于能同时实现更好的时空分辨率，研究团队将 SMSPD 称为“四维传感器”。技术验证项目负责人、费米实验室科学家 Cristián Pe a 解释称，这就像在繁忙的中央车站追踪一名混入人群的嫌疑人，既需要高清画面看清每个个体的面容，也需要每秒拍摄数十帧的高速连拍，否则目标人物可能在下一个瞬间就消失在茫茫人海中。