《科学家开发“量子温度计”,超低温也可精确测量》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2021-03-24
  • 瑞典哥德堡查尔莫斯理工大学的研究人员开发了一种新型温度计,可以在量子计算过程中以极高的精度简单快速地测量温度。这一突破为极具价值的量子计算提供了一个重要工具,并为量子热力学这一激动人心的领域的实验开辟了道路。
    量子计算机的一个关键组件是同轴电缆和波导(引导波形的结构),这是量子处理器和控制它的经典电子设备之间的重要连接。微波脉冲沿着波导传播到量子处理器,并在传播过程中被冷却到极低的温度。波导管还衰减和过滤脉冲,使极其敏感的量子计算机能够在稳定的量子状态下工作。
    为了对这种机制进行最大限度的控制,研究人员需要确保这些波导不会因为它们发送的脉冲上的电子热运动而携带噪声。换句话说,必须测量微波波导管冷端的电磁场温度,这是控制脉冲被传送到计算机量子位的点。在尽可能低的温度下工作可以将量子位发生错误的风险降至最低。
    研究人员表示,这种新的温度计是一个超导电路,直接连接到被测波导管的末端,其可能是世界上为此目的在毫开尔文范围内最快、最灵敏的温度计,可以在波导的接收端直接测量非常低的温度,其精确度和时间分辨率极高。
    标准温度计是发展经典热力学的基础。而研究人员则希望“在未来,(新)温度计会被视为发展量子热力学的关键。”

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  • 《欧洲科学家正在开发一种新型量子空间传感器,可精确测量地球的重力场变化》

    • 来源专题:计量基标准与精密测量
    • 编译者:张宇
    • 发布时间:2024-09-30
    • 近日,一个欧洲科学家团队正在开发新的太空传感器,这些传感器使用量子技术来非常精确地测量加速度。这个项目被称为CARIOQA,它使用量子技术来测量加速度,这标志着未来太空任务的一个关键步骤,这些任务将追踪地球上微小的重力场变化。这些先进工具将为观测地球的变化提供更清晰的视角,以更高的精度和紧迫性提供有关冰川、海平面上升和地下水位变化的实时数据。 测量微小的重力差异能够有助于揭示地下水的存在、极地冰川的融化量,甚至评估对自然资源的潜在影响。CARIOQA项目正在努力通过利用量子加速度计的卓越灵敏度来改进重力测绘并生成“更高分辨率”的地球重力地图。要从太空测量重力,准确跟踪卫星的加速度至关重要。这是使用所谓的加速度计完成的,这些加速度计监测卫星上自由落体的测试质量。通过将量子加速度计安装到卫星上,科学家们将研究冰川的运动、海平面上升和地下水位的变化,以前所未有的方式应对气候变化。欧盟的财团投资1700万欧元支持此项研究,希望到2030年在轨发射世界上第一个量子加速度计。 由欧洲委员会发起,并由量子旗舰计划支持的一个雄心勃勃的新项目,旨在通过提供有关冰层融化、地下水枯竭和海洋环流变化的更准确数据,从而彻底改变地球的空间环境监测系统。 这个名为CARIOQA-PMP的新项目耗资1700万欧元,旨在通过整合量子传感器的独特功能来改进传统的重力传感方法。 地球上的物质,如岩石、矿物和水,在不同地方具有不同的密度。地球的重力场受到这些物质质量的影响。一个地区的质量越大,特定地点的引力就越强。当大量物质移动或发生变化时,例如冰川融化并流入海洋,或地下水枯竭时,就会改变当地的重力。 传统的重力测绘可以检测到这些差异,从而告诉我们一些重要的事情,比如地下水可能在哪里,极地地区融化了多少冰,有助于评估对自然资源的潜在影响。 但是,从外太空观测地球时,引力视图会有些不清楚。虽然传统的重力仪已经非常先进,但在试图通过分辨来自地球的微弱引力信号来测量不同区域重力细微变化时,依然显得的力不从心。 然而,这种经过改进的新型量子加速度计将是同类产品中第一款利用量子物理学原理增强其性能的设备。该设备将使科学家们能够以“更高分辨率”看到地球的完整重力图。 CARIOQA-PMP 项目协调员Christine Fallet 说:“传统的重力计或经典的静电加速度计在灵敏度和精度方面存在一些限制。虽然较小或更微妙的特征可能无法捕捉到足够的细节或完全丢失,但它还是提供给我们能够探测到来自地球的主要洋流信息的能力。这对于精确的地球监测和研究由细微变化(如少量冰融化或轻微地下水消耗)引起的微弱重力变化来说是不满足要求的。 CARIOQA项目的目标是开发突破性的量子空间加速度计技术,以改变基于卫星的地球科学。这些进步将在监测气候变化、支持全球制定减缓和适应性战略方面的努力中发挥关键作用。 新的CARIOQA量子技术仍在开发中,该团队采用了一种称为冷原子干涉测量法(CAI)的技术。CAI依靠量子力学原理来检查和利用原子在极低温度下的波状行为。 当原子冷却到接近绝对零度时,它们的运动变得非常缓慢,从而可以使用激光对它们进行极其精确的测量。“当原子被冷却时,”Fallet表示,“可以利用原子的波状特性来产生干涉状态(类似于水波重叠的涟漪)。通过分析这些模式,我们可以非常精确地测量原子的加速度。 冷原子干涉测量技术避免了旧系统的一些问题,随着时间的推移,这种测量方式可以提供更清晰、更可靠的数据。在测量重力方面,CAI就像从模糊的老式电视升级到清晰的高清屏幕。这项技术将使我们对地球上正在发生的变化有更加清晰的了解。 该项目分为两个平行部分:CARIOQA-PMP(“探路者任务准备”专注于开发在未来十年内用于太空探索的量子加速度测量技术。该项目将为量子探路者任务奠定基础,CARIOQA-PHA 将继续努力证明量子空间重力探路者任务的可行性,旨在使欧盟能够在太空中部署量子重力计和加速度计。 “这项任务旨在为地球观测工作提供一个强大的工具。这是欧盟确立其在量子空间技术领域引导者地位的关键一步。CARIOQA的成功可能会使欧洲在全球应对气候变化的努力中处于领先地位,同时也证明了量子技术在应对我们这个时代最紧迫的挑战时所展现出的强大力量,“Fallet说。 CARIOQA是一个汇集了所有关键合作伙伴的联盟,包括法国航天局(Centre National d'etudes Spatiales – CNES)、德国航空航天中心 (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – DLR)、法德工业集团(法国和德国的空中客车防务和航天公司(ADS-F、ADS-G)、EXAIL、TELETEL、LEONARDO、GMV)、欧洲的实验室和大学(LUH、SYRTE、LP2N、LCAR、ONERA、FORTH、 TUM、POLIMI、DTU)以及业内最具影响力的专家(FORTH/PRAXI、Groupe GAC)。
  • 《科学家开发最高分辨率单光子超导相机》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-10-26
    • NIST的研究人员和他们的同事们已经制造出了一台超导相机,其像素高达40万,是其他同类设备的400倍。 超导相机使科学家能够捕捉到非常微弱的光信号,无论是来自遥远的太空物体还是人类大脑的某些部分。拥有更多的像素可以在科学和生物医学研究中开辟许多新的应用。研究人员在Nature上发表了他们的研究成果。 NIST的相机由超薄电线网格组成,冷却到接近绝对零度,电流在其中无阻力移动,直到电线被光子击中。在这些超导纳米线相机中,即使是单个光子传递的能量也可以被检测到,因为它会在网格上的特定位置(像素)关闭超导性。把所有光子的位置和强度结合起来,就形成了一幅图像。 第一台能够探测单光子的超导照相机是在20多年前研制出来的。从那以后,这些设备的像素都不超过几千像素——对大多数应用来说太有限了。 制造一个具有更高像素的超导相机是一个严峻的挑战,因为它几乎不可能将成千上万个冷冻像素中的每一个都连接到它自己的读出线上。这一挑战源于这样一个事实,即相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作,而将数百万像素中的每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。 NIST的研究人员Adam McCaughan和Bakhrom Oripov以及他们在NASA喷气推进实验室和the University of Colorado Boulder的合作者克服了这一障碍,他们将来自许多像素的信号组合到几根室温读出线上。 任何超导导线的一个普遍特性是,它允许电流自由流动,直到某个最大“临界”电流。为了利用这种行为,研究人员对传感器施加了略低于最大电流的电流。在这种情况下,即使一个光子击中一个像素,也会破坏超导性。电流不再能够无阻力地通过纳米线,而是分流到连接到每个像素的小电阻加热元件。分流的电流产生了一个可以快速检测到的电信号。 借鉴现有的技术,NIST的团队构建了相机,使超导纳米线的交叉阵列形成多行和多列,就像在井字游戏中一样。每个像素——以垂直和水平纳米线相交的点为中心的一个小区域——由它所在的行和列唯一地定义。 这种安排使研究小组能够一次测量来自整行或整列像素的信号,而不是记录每个像素的数据,从而大大减少了读出线的数量。为此,研究人员将一根超导读出线与像素行平行但不接触,另一根线与像素行平行但不接触。 只考虑与这些行平行的超导读出线。当光子击中一个像素时,分流到电阻加热元件的电流加热读出线的一小部分,形成一个微小的热点。热点,反过来,产生两个沿读出线方向相反的电压脉冲,由两端的探测器记录。脉冲到达末端探测器所需的时间差揭示了像素所在的列。另一根超导读出线与柱子平行,起到类似的作用。 探测器可以识别短至50万亿分之一秒的信号到达时间的差异。他们还可以计算出每秒多达10万个光子撞击电网。 一旦团队采用了新的读出架构,Oripov在增加像素数量方面取得了快速进展。在几周内,这个数字从2万像素跃升到40万像素。McCaughan说,读出技术可以很容易地扩展到更大的相机上,并且具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就可以使用。 在接下来的一年里,研究小组计划提高原型相机的灵敏度,这样它就可以捕捉到几乎所有入射的光子。这将使相机能够处理诸如成像太阳系以外的微弱星系或行星等低光工作,在基于光子的量子计算机中测量光线,并为使用近红外光观察人体组织的生物医学研究做出贡献。