正如“用超导体观察”一文的主要内容所讨论的那样,超导探测器正在彻底改变包括核不扩散和国土安全、微芯片分析、亚毫米波段天文学和宇宙微波背景研究在内的各种研究和技术领域。在这里,我将讨论另外两个应用:量子密码术和寻找暗物质。
量子信息。量子信息的潜力巨大,包括量子计算机和牢不可破的密码术。然而,该领域最近理论进展的实际实现需要许多实验性的突破。由于一种主要的手段是操纵少量光子,因此一个关键的需求是需要一种高效的光子计数器,它可以测量光脉冲中的光子数量。
在量子密码术中,原则上,通过光纤电缆进行信息交换的安全性受到量子力学定律的保护。然而,在实践中,量子密码系统的安全性可能会因探测器中的噪声而受到损害。实现长距离量子密码网络需要在近红外电信波长下运行的源和探测器。传统的近红外半导体探测器系统的灵敏度低,错误率高,无法计数光子数量。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅,您正在帮助确保今天关于塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
由科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究院的 Sae Woo Nam 和斯坦福大学的 Blas Cabrera 领导的团队开发了超导探测器,该探测器可以以可忽略的错误率在电信波长下有效地测量光子数量,为在 100 公里距离上进行安全的量子密码术开辟了道路。 这些探测器也是其他量子信息应用的关键技术。它们使研究人员能够证明单光子源(许多光学量子信息系统的另一个关键要素)可靠地一次只发射一个光子。随着效率和速度的进一步发展,超导探测器也可能成为光子量子计算机的重要组成部分。
粒子物理学。 在过去的十年中,越来越多的证据表明,宇宙中只有大约六分之一的物质是我们熟悉的普通重子物质。 剩下的六分之五是暗物质的形式。暗物质从未被直接探测到,但其对我们能够观察到的物质的引力影响强烈地暗示了它的存在。 最近对两个碰撞的星系团的观测提供了暗物质的有力证据。 最重要的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP),它们是大爆炸中稳定的遗留粒子。 如果 WIMP 存在,它们非常普遍,但它们通常在没有相互作用的情况下穿过普通物质。
低温暗物质搜索(CDMS)是一项使用超导探测器搜索罕见 WIMP 相互作用的实验。 由斯坦福大学的 Cabrera 和加州大学伯克利分校的 Bernard Sadoulet 领导的团队开发了该实验。 探测器由厚半导体晶片组成,一侧是超导探测器,另一侧是电荷探测器。 当粒子(如 WIMP)与探测器碰撞时,它会产生晶格振动(声子)并释放电子。 声子中的能量作为超导探测器中的热量进行测量,电荷信号由电荷探测器进行测量。 该实验目前在明尼苏达州东北部苏丹铁矿地下半英里处运行,那里基本消除了宇宙射线粒子的影响。 通过对电荷和热信号的仔细分析,科学家们将真正的 WIMP 相互作用与干扰放射性背景源区分开来。
目前还没有实验最终探测到 WIMP,但 CDMS 设定了任何实验对 WIMP 与普通物质相互作用强度的最严格限制。 在未来几年里,CDMS 的规模将会扩大,它很有可能发现 WIMP。