作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 当谈到完全理解量子材料隐藏的秘密时，需要一个人去了解一个人，科学家说:只有同样根据量子原理运行的工具才能让我们到达那里
一个新的能源部研究中心将致力于开发这些工具
量子传感和量子材料中心位于伊利诺伊大学香槟分校，汇集了来自UIUC、能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的专家
信用:凯特琳肯格尔/UIUC 当谈到完全理解量子材料隐藏的秘密时，需要一个人去了解一个人，科学家说:只有同样根据量子原理运行的工具才能让我们到达那里
一个新的能源部研究中心将致力于开发这些工具
量子传感和量子材料中心位于伊利诺伊大学香槟分校，汇集了来自UIUC、能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的专家
他们将致力于开发三种尖端的量子传感设备:一种扫描量子位显微镜，一种利用纠缠电子对的光谱学仪器，以及另一种利用SLACx光自由电子激光器的光子对探测材料的仪器，直线加速器相干光源，该光源在升级后最近重新开放
这些新技术将让研究人员更详细地了解为什么量子材料会做出奇怪的事情，为发现新的量子材料和发明更灵敏的行为探针铺平道路
这项工作将侧重于理解非常规超导体背后的原子级过程，这些超导体在相对较高的温度下无电阻导电；拓扑绝缘体，沿其边缘无损耗地传输电流；和奇怪的金属，冷却时会超导，但在更高的温度下具有奇怪的性质
“令人兴奋的是，这个中心给了我们一个机会来创造一些真正新的量子测量技术，用于研究与能量相关的量子材料，”该中心主任彼得·阿巴蒙特，一位UIUC的物理学教授，在一份新闻稿中说
“我们经常被困在使用相同的旧测量方法的循环中——不是因为我们不需要新的信息或知识，而是因为开发技术既昂贵又耗时，”阿巴蒙特说
他说，新中心将允许科学家通过解决更大的问题来推进量子测量的极限
奇异纠缠态 量子材料得名于这样一个事实，即它们的奇异性质源于电子和其他遵循量子力学规则的现象的合作行为，而不是支配我们日常世界的熟悉的牛顿物理定律
这些材料最终可能会对未来的能源技术产生巨大的影响——例如，通过允许人们在长距离传输电力时基本上没有损失，并使运输更加节能
但是一种量子材料可能包含一种混杂的奇异的、重叠的物质状态，用传统的工具很难分辨出来
“在量子世界中，一切都变得纠缠不清，所以一个物体的边界开始与另一个物体的边界重叠，”SLAC教授托马斯·德弗罗说，他是在新中心合作的六名SLAC和斯坦福研究人员之一
“我们将使用各种工具和技术来探究这种纠缠
" 量子传感器并不新鲜
它们包括半个世纪前发明的超导量子干涉装置(SQUID)，用于检测极小的磁场，以及超导跃迁边缘传感器，其中包括SQUID，用于检测天文学、核不扩散、材料分析和国土防御中的微小信号
在基本层面上，他们通过将传感器置于已知的量子状态并允许其与感兴趣的物体相互作用来进行操作
相互作用改变了量子系统的状态，测量系统的新状态揭示了用传统方法无法获得的关于物体的信息
尖端量子位 在正在开发的技术之一，扫描量子位显微镜中，量子传感器将由一个或多个放置在探针尖端并在材料表面移动的量子位组成
量子位是量子信息的基本单位，就像普通计算机内存中在0和1之间来回翻转的比特一样
但是一个量子位同时以0和1状态的叠加形式存在
例如，扫描仪的量子位可能由单个氢原子组成，单个电子的自旋同时存在于上升、下降和所有可能的状态之间
“你可以尝试将量子位传感器与你所研究的材料的量子态纠缠在一起，这样你就可以真正感受到材料中量子态的纠缠，”斯坦福大学副校长兼研究主任凯瑟琳·莫勒说
“如果我们能做到这一点，那就太棒了
"
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