چگونه حسگر‌های کوانتومی دقت را به اوج می‌رسانند؟
با بهره‌گیری از فناوری‌های کوانتومی پیشرفته که ابتدا برای نجوم و شبکه‌های کوانتومی توسعه یافته بودند، پژوهشگران قدم‌های بزرگی در شناسایی ذراتی که قبلا غیرقابل تشخیص بودند، از جمله اجزای بالقوه ماده تاریک، برداشته‌اند.
فیزیک‌دانان از دنیای عجیب حسگر‌های کوانتومی استفاده می‌کنند تا آشکارسازی ذرات را در نسل بعدی آزمایش‌های پر انرژی متحول کنند.
این آشکارساز‌های ابررسانا نه تنها وضوح مکانی تیزتری ارائه می‌دهند، بلکه قادرند رویداد‌ها را در زمان ردیابی کنند، این ویژگی برای رمزگشایی از برخورد‌های آشفته ذرات ضروری است.
باز کردن قفل‌های جهان با برخورددهنده‌های ذرات
برای درک بهتر ماهیت بنیادی ماده، انرژی، فضا و زمان، فیزیک‌دانان از ماشین‌های قدرتمندی به نام شتاب‌دهنده‌های ذرات استفاده می‌کنند. این ماشین‌ها ذرات پرانرژی را به هم برخورد می‌دهند و هر ثانیه انفجاری از میلیون‌ها ذره جدید با جرم‌ها و سرعت‌های مختلف ایجاد می‌کنند. گاهی اوقات، این برخوردها حتی ذراتی تولید می‌کنند که در مدل استاندارد، نظریه غالبی که اجزای اولیه جهان را توضیح می‌دهد، جای ندارند.
حالا، پژوهشگران قصد دارند شتاب‌دهنده‌هایی قدرتمندتر بسازند که قادر به تولید برخورد‌های شدیدتر باشند. اما با این همه پیچیدگی، دانشمندان چگونه می‌توانند از میان این آشفتگی زیراتمی بگذرند؟
حسگر‌های کوانتومی ابررسانای میکروسیم: پیشرفتی در دقت
کلید موفقیت ممکن است در حسگر‌های کوانتومی باشد. دانشمندان در آزمایشگاه ملی فرمیلاب وزارت انرژی ایالات متحده، کلتک، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) و سایر مؤسسات، نوع جدیدی از سیستم‌های آشکارسازی ذرات را توسعه می‌دهند که از حسگر‌های کوانتومی استفاده می‌کنند. این دستگاه‌های فوق‌حساس می‌توانند ذرات منفرد را با دقت بالا تشخیص دهند.
به گزارش scitechdaily، ماریا اسپیروپولو، استاد فیزیک شانگ-یی چن در کلتک، می‌گوید: «در ۲۰ تا ۳۰ سال آینده، شاهد تغییر الگو در برخورددهنده‌های ذرات خواهیم بود، زیرا آنها از نظر انرژی و شدت قدرتمندتر می‌شوند؛ و این بدان معناست که به آشکارساز‌های دقیق‌تری نیاز داریم. به همین دلیل امروزه فناوری کوانتومی را توسعه می‌دهیم. ما می‌خواهیم حسگری کوانتومی را به جعبه‌ابزار خود اضافه کنیم تا جستجوی نسل بعدی برای ذرات و ماده تاریک جدید را بهینه کنیم و منشأ فضا و زمان را مطالعه کنیم.»
اولین آزمایش عملی حسگر‌های کوانتومی
در مجله Journal of Instrumentation، تیم تحقیقاتی که شامل همکارانی از دانشگاه ژنو و دانشگاه فدریکو سانتا ماریا در شیلی نیز می‌شود، برای اولین بار از فناوری جدید خود به نام «آشکارساز‌های فوتون منفرد ابررسانای میکروسیم» (SMSPDs) در فرمیلاب نزدیک شیکاگو استفاده کردند. آنها حسگر‌های کوانتومی را در معرض پرتو‌های پر انرژی پروتون‌ها، الکترون‌ها و پایون‌ها قرار دادند و نشان دادند که این حسگر‌ها به طور مؤثری ذرات را با وضوح زمانی و مکانی بهبود یافته نسبت به آشکارساز‌های سنتی تشخیص می‌دهند.
این یک گام مهم به سمت توسعه آشکارساز‌های پیشرفته برای آزمایش‌های فیزیک ذرات آینده است. سی شی، دانشمند فرمیلاب که در کلتک نیز عنوان پژوهشگر را دارد، می‌گوید: «این فقط آغاز است. ما می‌توانیم ذراتی با جرم کمتر از قبل و حتی ذرات غریب مانند آنهایی که ممکن است ماده تاریک را تشکیل دهند، تشخیص دهیم.»
ریشه‌ها در نجوم و شبکه‌های کوانتومی
حسگر‌های کوانتومی استفاده‌شده در این مطالعه مشابه خانواده‌ای از حسگر‌ها (به نام آشکارساز‌های فوتون منفرد ابررسانای نانوسیم یا SNSPDs) هستند که در شبکه‌های کوانتومی و آزمایش‌های نجومی کاربرد دارند. به عنوان مثال، محققان JPL که از متخصصان برتر جهان در طراحی و ساخت این حسگر‌ها هستند، اخیراً از آنها در آزمایش Deep Space Optical Communications استفاده کرده‌اند، یک نمایش فناوری که از لیزر‌ها برای انتقال داده‌های باکیفیت بالا از فضا به زمین استفاده می‌کند.
اسپیروپولو، شی و سایر دانشمندان از فرمیلاب، کلتک و JPL نیز از حسگر‌های SNSPD در آزمایش‌های شبکه کوانتومی استفاده کرده‌اند که در آن اطلاعات را در فواصل طولانی تلپورت می‌کنند — یک گام مهم در توسعه اینترنت کوانتومی آینده. این برنامه، که INQNET نام دارد، در سال ۲۰۱۷ توسط کلتک و AT&T به صورت مشترک تأسیس شد.
قدرت‌های جدید برای فیزیک ذرات
برای آزمایش‌های فیزیک ذرات، محققان از SMSPDs به جای SNSPDs استفاده کردند، زیرا این حسگر‌ها سطح جمع‌آوری بزرگ‌تری برای پاشش ذرات دارند. آنها برای اولین بار از این حسگر‌ها برای تشخیص ذرات باردار استفاده کردند، یک قابلیتی که برای شبکه‌های کوانتومی یا کاربرد‌های نجومی نیاز نیست، اما برای آزمایش‌های فیزیک ذرات ضروری است. شی می‌گوید: «جدید بودن این مطالعه در این است که ما اثبات کردیم این حسگر‌ها می‌توانند به طور مؤثر ذرات باردار را تشخیص دهند.»
حسگر‌های SMSPD همچنین می‌توانند ذرات را در فضا و زمان با دقت بیشتری تشخیص دهند. شی می‌افزاید: «ما آنها را حسگر‌های ۴ D می‌نامیم، زیرا می‌توانند به طور همزمان وضوح مکانی و زمانی بهتری ارائه دهند.معمولا در آزمایش‌های فیزیک ذرات، باید حسگر‌ها را تنظیم کنید تا یا وضوح زمانی یا مکانی دقیق‌تری داشته باشند، اما نه هر دو به طور همزمان.»
چرا ۴ D در ردیابی ذرات مهم است؟
وقتی محققان دسته‌هایی از ذراتی را که از برخورد‌های سریع بیرون می‌آیند تحلیل می‌کنند، می‌خواهند بتوانند مسیر آنها را به طور دقیق در فضا و زمان ردیابی کنند. به عنوان یک تمثیل، تصور کنید می‌خواهید از تصاویر امنیتی برای ردیابی فرد مشکوکی که در شلوغی مردم در ایستگاه مرکزی گرند سنترال مخفی شده است، استفاده کنید. شما می‌خواهید تصاویر دارای وضوح مکانی کافی برای ردیابی افراد باشند. اما همچنین به وضوح زمانی کافی نیاز دارید تا مطمئن شوید فرد مورد نظر را می‌گیرید. اگر فقط تصاویری که هر ۱۰ ثانیه یکبار گرفته می‌شوند داشته باشید، ممکن است او را از دست بدهید، اما اگر تصاویری که هر ثانیه یکبار گرفته می‌شوند داشته باشید، شانس بیشتری دارید.
اسپیروپولو می‌گوید: «در این برخوردها، ممکن است بخواهید عملکرد میلیون‌ها رویداد در ثانیه را ردیابی کنید. شما با صد‌ها برهمکنش شدید شده‌اید و یافتن برهمکنش‌های اولیه با دقت می‌تواند دشوار باشد. در دهه ۱۹۸۰، فکر می‌کردیم مختصات مکانی کافی است، اما حالا که برخورد‌های ذرات شدیدتر می‌شوند و ذرات بیشتری تولید می‌کنند، باید زمان را نیز ردیابی کنیم.»
راه‌اندازی برای برخورددهنده‌های آینده
کریستیان پینا، دانشمند فرمیلاب و فارغ‌التحصیل کلتک (دکتری ′۱۷)، که این تحقیق را رهبری کرده است، می‌گوید: «ما بسیار هیجان‌زده هستیم که روی تحقیق و توسعه آشکارساز‌های پیشرفته مانند SMSPDs کار می‌کنیم، زیرا ممکن است نقش حیاتی در پروژه‌های مهمی در این زمینه مانند برخورددهنده دایره‌ای آینده یا برخورددهنده میونی داشته باشند؛ و ما خوشحالیم که تیمی در سطح جهانی از چندین مؤسسه گرد هم آورده‌ایم تا این تحقیق نوظهور را به سطح بعدی ببریم.»
