科学家们说，要完全理解量子材料中的隐藏秘密，必须知道这一点：只有能够在量子原理上运行的工具才能使我们发现这些秘密。

能源部将成立新的研究中心，专注于开发这些工具。位于伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的量子传感和量子材料中心汇集了来自UIUC，美国能源部SLAC国家加速器实验室，斯坦福大学和伊利诺伊州芝加哥大学的专家。

他们将致力于开发三种最先进的量子传感设备：扫描量子比特显微镜，利用纠缠电子对的光谱仪器，以及另一种利用SLAC X射线自由电子激光中的成对光子探测材料的仪器，直线加速器相干光源。

这些新技术将使研究人员能够更详细地了解量子材料，从而为发现新的量子材料以及发明更为灵敏的行为探针铺平了道路。

这项工作将着重于理解非常规超导体背后的原子级过程，这些非导体超导体在相对较高的温度下无电阻地导电。拓扑绝缘体，沿其边缘无损耗地传输电流；以及其他奇怪的金属，它们在冷却时会超导，但在更高的温度下却具有奇怪的特性。

UIUC的物理学教授，中心主任彼得·阿巴蒙特说：“令人兴奋的是，这个中心使我们有机会创建一些真正的新的量子测量技术来研究与能量有关的量子材料。”

“我们经常陷入使用相同的测量周期中，不是因为我们不需要新的信息或知识，而是因为开发技术既昂贵又费时，” Abbamonte说。他说，新的中心将使科学家能够通过解决更大的问题来推动量子测量的发展。

异国纠结态

量子材料之所以得名，是因为它们源于电子和其他遵守量子力学规则的现象的协同行为，而不是遵循我们日常生活的熟悉的牛顿物理学定律。这些材料最终可能对未来的能源技术产生巨大影响，例如，使人们能够长距离传输电力而基本上没有任何损失，并使运输更加节能。

但是，量子材料可能包含奇特的，重叠的物质状态的混杂混合物，而这些物质很难用常规工具进行分类。

SLAC教授Thomas Devereaux说：“在量子世界中，所有事物都纠缠在一起，因此一个物体的边界开始与另一物体的边界重叠。” “我们将使用各种工具和技术来探测这种纠缠。”

量子传感器并不是什么新鲜事物。它们包括半个世纪前发明的用于探测极小的磁场的超导量子干扰设备或SQUID，以及结合了SQUIDS的超导过渡边缘传感器，用于探测天文学，核不扩散，材料分析和国土防御中的微小信号。

在基本级别上，它们通过将传感器置于已知的量子状态并使其与感兴趣的对象进行交互来进行操作。相互作用改变了量子系统的状态，而测量系统的新状态则揭示了用传统方法无法获得的有关物体的信息。

在一种正在开发的技术中，扫描量子比特显微镜，量子传感器将由一个或多个量子比特组成，这些量子比特放置在探针的尖端并在材料表面上移动。量子位是量子信息的基本单位，就像普通计算机内存中在0和1之间来回翻转的位一样。但是，量子位以零和1状态的叠加形式存在。扫描仪的量子位可能由单个氢原子组成，例如，其单个电子的自旋同时以向上，向下和所有可能的状态存在。

斯坦福大学副教务长兼研究主任Kathryn Moler说：“您可以尝试使量子位传感器与您正在研究的材料的量子态纠缠在一起，从而实际上可以感知到材料内部的量子态纠缠。” “如果我们能够做到这一点，那将真的很酷。”

SLAC和斯坦福大学的其他研究人员在新中心的研究中进行合作，包括沉志勋教授和David Reiss教授，Ben Feldman助理教授和研究员Mariano Trigo。

该中心是美国能源部科学办公室授予的1亿美元能源前沿研究中心之一。