超導(dǎo)傳感器收集為表征材料而產(chǎn)生的 X 射線(xiàn)或伽馬射線(xiàn)光子。使用微波多路復(fù)用器和新的基于量子的放大器進(jìn)行放大，可提高信號(hào)的分辨率，而不會(huì)引入背景噪聲。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院

了解能量在材料中的運(yùn)動(dòng)方式是研究量子現(xiàn)象、催化反應(yīng)和復(fù)雜蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)。測(cè)量能量如何移動(dòng)包括將特殊的 X 射線(xiàn)照射到樣品上以啟動(dòng)反應(yīng)。

然后，探測(cè)器收集反應(yīng)發(fā)出的輻射。傳統(tǒng)傳感器通常缺乏這些研究所需的靈敏度。一種解決方案是使用超導(dǎo)傳感器。但是，放大來(lái)自這些傳感器的信號(hào)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

在量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，研究人員增加了一種特殊類(lèi)型的放大器，即超導(dǎo)行波參量放大器。雖然大多數(shù)放大器會(huì)在測(cè)量中增加噪聲，但這些放大器幾乎是無(wú)噪聲的。研究人員取得了一項(xiàng)重大進(jìn)展，表明放大器可以在 4 開(kāi)爾文下工作，這被認(rèn)為是相對(duì)較高的工作溫度。

降低信號(hào)處理過(guò)程中增加的噪聲可以提高傳感器的性能。放大使每個(gè)傳感器都能運(yùn)行得更快、更靈敏。

實(shí)驗(yàn)表明，參量放大器可以同時(shí)分析來(lái)自許多超導(dǎo)傳感器的信號(hào)。超導(dǎo)傳感器在非常低的溫度下工作。在這些溫度下，參量放大器具有非常好的噪聲性能，接近量子力學(xué)的頂點(diǎn)。這一進(jìn)步為將此類(lèi)放大器與各種傳感器技術(shù)集成鋪平了道路。

超導(dǎo)傳感器由超導(dǎo)溫度計(jì)和吸收器組成。當(dāng)X射線(xiàn)停止在吸收器中時(shí)，它們會(huì)改變傳感器的超導(dǎo)狀態(tài)。這會(huì)在電路中產(chǎn)生小電流。

為了使探測(cè)器更加靈敏，許多傳感器被排列成一個(gè)陣列，就像在數(shù)碼相機(jī)中一樣。

超導(dǎo)傳感器在非常低的溫度（約0.09開(kāi)爾文）下工作，因此它們需要專(zhuān)門(mén)的讀出電子設(shè)備和放大器。這些放大器需要將來(lái)自多個(gè)傳感器的信號(hào)組合在一條讀出線(xiàn)上。組合信號(hào)稱(chēng)為多路復(fù)用。

一種有效的方法是將陣列中的每個(gè)傳感器耦合到諧振器。所有諧振器都耦合到一條輸出線(xiàn)路上。吸收光子產(chǎn)生的電流以獨(dú)特的方式改變每個(gè)傳感器的諧振頻率。

由于這些諧振器在微波頻率下工作，因此包含所有諧振器以及輸出饋線(xiàn)的電子芯片稱(chēng)為微波多路復(fù)用器。

研究人員正準(zhǔn)備測(cè)量來(lái)自傳感器陣列和帶有讀出鏈的微波多路復(fù)用器的信號(hào)，其放大器是動(dòng)感行波參量放大器，而不是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體放大器。使用參數(shù)放大器將降低讀出噪聲，并實(shí)現(xiàn)更大的更快傳感器陣列。

研究人員于 2022 年在 Physical Review Applied 和 2021 年的 PRX Quantum 上發(fā)表了他們的研究。