超導傳感器收集為表征材料而產(chǎn)生的 X 射線或伽馬射線光子。使用微波多路復用器和新的基于量子的放大器進行放大，可提高信號的分辨率，而不會引入背景噪聲。圖片來源：美國國家標準與技術研究院

了解能量在材料中的運動方式是研究量子現(xiàn)象、催化反應和復雜蛋白質的基礎。測量能量如何移動包括將特殊的 X 射線照射到樣品上以啟動反應。

然后，探測器收集反應發(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傳感器。但是，放大來自這些傳感器的信號是一項重大挑戰(zhàn)。

在量子計算技術進步的基礎上，研究人員增加了一種特殊類型的放大器，即超導行波參量放大器。雖然大多數(shù)放大器會在測量中增加噪聲，但這些放大器幾乎是無噪聲的。研究人員取得了一項重大進展，表明放大器可以在 4 開爾文下工作，這被認為是相對較高的工作溫度。

降低信號處理過程中增加的噪聲可以提高傳感器的性能。放大使每個傳感器都能運行得更快、更靈敏。

實驗表明，參量放大器可以同時分析來自許多超導傳感器的信號。超導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，接近量子力學的頂點。這一進步為將此類放大器與各種傳感器技術集成鋪平了道路。

超導傳感器由超導溫度計和吸收器組成。當X射線停止在吸收器中時，它們會改變傳感器的超導狀態(tài)。這會在電路中產(chǎn)生小電流。

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

超導傳感器在非常低的溫度（約0.09開爾文）下工作，因此它們需要專門的讀出電子設備和放大器。這些放大器需要將來自多個傳感器的信號組合在一條讀出線上。組合信號稱為多路復用。

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

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的電子芯片稱為微波多路復用器。

研究人員正準備測量來自傳感器陣列和帶有讀出鏈的微波多路復用器的信號，其放大器是動感行波參量放大器，而不是傳統(tǒng)的半導體放大器。使用參數(shù)放大器將降低讀出噪聲，并實現(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。