超導探測器的兩種應用

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正如“用超導體觀察”一文的主要內容所討論的那樣,超導探測器正在徹底改變包括核不擴散和國土安全、微晶片分析、亞毫米波段天文學和宇宙微波背景研究在內的各種研究和技術領域。在這裡,我將討論另外兩個應用:量子密碼術和尋找暗物質。

量子資訊。量子資訊的潛力巨大,包括量子計算機和牢不可破的密碼術。然而,該領域最近理論進展的實際實現需要許多實驗性的突破。由於一種主要的手段是操縱少量光子,因此一個關鍵的需求是需要一種高效的光子計數器,它可以測量光脈衝中的光子數量。

在量子密碼術中,原則上,透過光纖電纜進行資訊交換的安全性受到量子力學定律的保護。然而,在實踐中,量子密碼系統的安全性可能會因探測器中的噪聲而受到損害。實現長距離量子密碼網路需要在近紅外電信波長下執行的源和探測器。傳統的近紅外半導體探測器系統的靈敏度低,錯誤率高,無法計數光子數量。


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由科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究院的 Sae Woo Nam 和斯坦福大學的 Blas Cabrera 領導的團隊開發了超導探測器,該探測器可以以可忽略的錯誤率在電信波長下有效地測量光子數量,為在 100 公里距離上進行安全的量子密碼術開闢了道路。 這些探測器也是其他量子資訊應用的關鍵技術。它們使研究人員能夠證明單光子源(許多光學量子資訊系統的另一個關鍵要素)可靠地一次只發射一個光子。隨著效率和速度的進一步發展,超導探測器也可能成為光子量子計算機的重要組成部分。

粒子物理學。 在過去的十年中,越來越多的證據表明,宇宙中只有大約六分之一的物質是我們熟悉的普通重子物質。 剩下的六分之五是暗物質的形式。暗物質從未被直接探測到,但其對我們能夠觀察到的物質的引力影響強烈地暗示了它的存在。 最近對兩個碰撞的星系團的觀測提供了暗物質的有力證據。 最重要的暗物質候選者是弱相互作用大質量粒子(WIMP),它們是大爆炸中穩定的遺留粒子。 如果 WIMP 存在,它們非常普遍,但它們通常在沒有相互作用的情況下穿過普通物質。

低溫暗物質搜尋(CDMS)是一項使用超導探測器搜尋罕見 WIMP 相互作用的實驗。 由斯坦福大學的 Cabrera 和加州大學伯克利分校的 Bernard Sadoulet 領導的團隊開發了該實驗。 探測器由厚半導體晶片組成,一側是超導探測器,另一側是電荷探測器。 當粒子(如 WIMP)與探測器碰撞時,它會產生晶格振動(聲子)並釋放電子。 聲子中的能量作為超導探測器中的熱量進行測量,電荷訊號由電荷探測器進行測量。 該實驗目前在明尼蘇達州東北部蘇丹鐵礦地下半英里處執行,那裡基本消除了宇宙射線粒子的影響。 透過對電荷和熱訊號的仔細分析,科學家們將真正的 WIMP 相互作用與干擾放射性背景源區分開來。

目前還沒有實驗最終探測到 WIMP,但 CDMS 設定了任何實驗對 WIMP 與普通物質相互作用強度的最嚴格限制。 在未來幾年裡,CDMS 的規模將會擴大,它很有可能發現 WIMP。

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