量子探測
關注創建者：光與影 創建時間：2022-11-28
量子探測的實例教程
一、 前言
量子科技的價值日漸體現，量子探測技術是量子科技的重要方向之一。量子探測技術是傳統探測技術和新興的量子科技融合產生的新型探測技術。主要針對目前傳統探測技術無法解決的瓶頸問題，例如探測信噪比探測靈敏度限制，探測成像分辨率限制，復雜環境探測性能下降的問題，更多維度特征信息的探測獲取等。文中首先綜述了一些現有的前沿量子探測技術情況，然后介紹了哈工大課題組在量子探測技術領域的一些典型工作，最后對整個量子探測技術方向發展提出的建議。
二、現有的前沿量子探測技術
現有的前沿量子探測技術主要包括基于量子偏振的安全量子探測技術、量子關聯成像（即鬼成像）探測技術、量子照明探測技術、量子增強激光探測技術。
展開 【引語】
泵浦探測X射線（Pump–probe X- ray）技術是一項研究材料動力學的新型工具。它可以直接捕獲瞬態光誘導的微觀自由度變化。在典型的X射線時間分辨實驗中，材料樣品被強激光脈沖激發，稱為泵脈沖，引起材料的動態變化。時間延遲的X射線脈沖通過與材料的相互作用探測其動態變化，隨后通過檢測器收集散射（或透射）的光束。根據對硬和軟X射線中光子能量的篩選，可以使用諸如X射線衍射，X射線吸收光譜和共振X射線衍射等技術獲得有關材料的原子或電子結構的信息。
光脈沖可以引起固體特性的動態變化。在量子材料中，已經發現了許多相關的新現象: 電子相之間的超快轉變，鐵電階次的轉換和非平衡涌現行為(non-equilibrium emergent behaviors)，光致超導現象等等。研究這些現象需要在超快時間分辨率下對多個微觀自由度進行詳細測量。飛秒X射線技術為其提供了可能。它可以探測材料的瞬態結構，電子和磁自由度的動態。 這篇文章總結了一系列代表性的實驗研究。
一．鐵質材料
超快鐵電轉換
由于相反相位電極化所引發的結構扭曲狀態和雙穩定狀態，使得鐵電材料具有很大的科學研究價值和技術意義。利用這些特性，數字信息可以存儲在鐵電體中，進而使其用于非易失性信息存儲裝置的研發。通常，通過施加脈沖電場可以實現鐵電極化的轉換。然而，這種鐵電轉換是由非相干動力學和疇界的傳播驅動的。這使得轉換耗時達到數百皮秒。為了縮短轉換時間，科學家嘗試過通過利用脈沖拉曼散射或直接激發驅動鐵電軟模，以實現超高速轉換。
科學家S. Gr¨ubel等人利用單周期太赫茲脈沖直接激發材料引起晶格振動 并利用超快X射線對Sn2P2S6在其鐵電相中軟模受直接激發而引起的結構響應進行了定量測量。
展開 納米粒子或病毒分子的靈敏探測技術，對環境監控、醫學診斷和防恐安全等諸多領域有明顯的實用價值。如，在大氣污染物中，相比微米顆粒（PM2.5），納米懸浮顆粒可穿透人體肺部細胞和血腦屏障，對健康的威脅更大。而目前，靈敏度最高的光學傳感器可檢測10納米的微粒，已逼近理論極限。
近日，湖南師范大學教授景輝，提出了一種突破靜態腔探測理論極限的新方案，利用旋轉環形光學微腔，可使靈敏度達到目前最好的靜態腔的3倍，從而探測到更小的納米顆粒。這一結果日前發表在美國光學學會的旗艦期刊《光學》上。該工作不僅對靈敏探測技術有明顯實用價值，也為研究新型旋轉腔人工量子器件技術開辟了道路。
根據光學傳感器工作原理，當微粒靠近傳感器時會影響其中光的傳播，進而影響光輸出。通過在輸出端探測光學輸出的變化，就可實現微小粒子的檢測。不過，越小的微粒，引起的光學輸出變化越弱，越不容易被探測。目前實驗學家已通過抑制光學耗散或減小傳感器體積等方法來提高靈敏度，但受光耗散或器件體積不可能無限減小的限制，這些技術方案存在探測的理論極限。
景輝的這一旋轉光學微腔方案，開拓性地提出了利用相對論薩格納克效應，突破靜態光學腔量子探測的理論極限。相對于靜止的光學傳感器，這種不依賴光學耗散或器件體積，僅依賴機械轉速的旋轉腔傳感器可顯著增強微粒對光的影響，放大光學輸出的變化，進而突破量子探測理論極限，實現超高靈敏度探測
來源：科技日報；記者俞慧友
展開 有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有載流子遷移率高、擴散長度長、暗電流密度低、吸收邊緣鋒利等優點, 因而成為用于光電探測的理想材料. 但是, 相對較小的帶隙(1.6 eV)限制了這些材料在近紅外區的光子捕獲效率.
華南理工大學馬東閣課題組利用碘甲胺和鉛-錫二元鈣鈦礦作為探測器的光吸收層, 導電聚合物和富勒烯作為空穴和電子傳輸層, 銦錫氧化物和鋁作為陽極和陰極制備了光電探測器件. 文章近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9377-3
圖1 有機-無機雜化錫基鈣鈦礦光電探測器的(a)結構，(b ,c)EQE譜，(d)光響應度
實驗結果表明, 當錫的含量達到30%時, 探測器的光譜響應拓寬到
1000?nm.
此外, 我們制備的探測器的光譜響應度達到
0.39?A/W,
歸一化探測率達到
7×10E12?Jones.
器件的外量子效率在350到900 nm范圍內, 均超過50%, 在550 nm處取得最大值, 超過80%.
Yang Y, Yang D, Ma D et al. Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9377-3
展開 雖然愛因斯坦廣義相對論成功地描述了宇宙的演化，但是宇宙起源的時空奇點是需要量子力學來解釋。
因此，為了解釋目前很多觀測的宇宙現象，特別是早期宇宙起源，理論物理學家采用量子場論模型描述宇宙時空的性質，認為宇宙時空像是一種“凝聚態量子物質”，宇宙從大爆炸誕生、演化到現在，隨著溫度的降低，宇宙時空會經過一系列量子相變過程，這種相變會導致時空真空場的對稱性破缺，而在宇宙中留下各種拓撲缺陷，例如磁單極子和宇宙弦等。通過探測這些時空的拓撲缺陷，人們不但可以追溯早期宇宙的誕生過程，而且觀測量子引力效應和研究時空的本質。雖然人們已經開始嘗試尋找時空拓撲缺陷，但由于人類太空量子探測技術的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙時空與凝聚態物質的類比關系，理論物理學家提出了變換光學的方法，主要是在凝聚態介質中通過連續改變物質的屬性，模擬引力場彎曲時空，從而在實驗上檢驗和演示各種彎曲時空中光子態的演化特性和量子效應，例如：光子黑洞、霍金輻射效應、宇宙膨脹紅移等。
近些年，南京大學物理學院介電體超晶格實驗室的祝世寧、劉輝研究組利用變換光學芯片，開展了彎曲時空中光子態演化特性的實驗研究,取得系列成果。最近研究組的盛沖博士制備了一種二維彎曲超材料，實現一種新型的具有軸向旋轉對稱的各項異性變換光學介質，旋轉對稱中心可以模擬一維時空拓撲缺陷: 宇宙弦(圖一(a))。
圖一 (a)宇宙弦拓撲時空的嵌入圖; (b) 宇宙弦拓撲時空的角度缺損; (c)負質量宇宙弦對光線的排斥；(d)正質量宇宙弦對光線的吸引。
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二、現有的前沿量子探測技術
現有的前沿量子探測技術主要包括基于量子偏振的安全量子探測技術、量子關聯成像（即鬼成像）探測技術、量子照明探測技術、量子增強激光探測技術。
--產業現狀--
在國際上，相關產品也只有少量半導體金剛石材料和金剛石探測器產品，尚未形成產業鏈，代表性企業有：
一、英國Element
Six（E6）公司，人造金剛石和超硬材料制造領域的國際龍頭企業，目前全球只有元素六公司出售超高純“電子級”（現稱“量子/探測器級”）單晶金剛石，其價格高、利潤大，且經常斷供。
但對于傳統波分網絡,長途干線設備端口速率更高、傳輸距離更遠,而QKD商用設備受限于光量子特性和探測器發展水平,只能在百公里光纖跨段上實現10 kbit/s量級的密鑰成碼率(更長光纖鏈路難以保證密鑰穩定成碼),通過多臺QKD設備堆疊和波分復用技術,也只能做到幾十kbit/s的密鑰成碼率。
（2）美國和奧地利在新型探測技術方面取得突破
2020年5月，奧地利科學技術研究所（Institute of Science and Technology Austria，IST）對一臺采用量子糾纏作為目標探測方法的量子雷達原型機進行了驗證。該原型機也稱為量子雷達，能夠在嘈雜的熱環境中檢測物體。
【引語】
泵浦探測X射線（Pump–probe X- ray）技術是一項研究材料動力學的新型工具。它可以直接捕獲瞬態光誘導的微觀自由度變化。在典型的X射線時間分辨實驗中，材料樣品被強激光脈沖激發，稱為泵脈沖，引起材料的動態變化。時間延遲的X射線脈沖通過與材料的相互作用探測其動態變化，隨后通過檢測器收集散射（或透射）的光束。根據對硬和軟X射線中光子能量的篩選，可以使用諸如X射線衍射，X射線吸收光譜和共振
該PD在405 nm光激發下，具有6.37×105 A·W-1的響應度和2.0×108%的外量子效率，探測率為6.86×1014 Jones。此外，B摻雜3C-SiC納米帶PD在300℃高溫下180天內，展現出良好的長效穩定性。
有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有載流子遷移率高、擴散長度長、暗電流密度低、吸收邊緣鋒利等優點, 因而成為用于光電探測的理想材料. 但是, 相對較小的帶隙(1.6 eV)限制了這些材料在近紅外區的光子捕獲效率.
華南理工大學馬東閣課題組利用碘甲胺和鉛-錫二元鈣鈦礦作為探測器的光吸收層, 導電聚合物和富勒烯作為空穴和電子傳輸層, 銦錫氧化物和鋁作為陽極和陰極制備了光電探測器件. 文章近期發表于Science
景輝的這一旋轉光學微腔方案，開拓性地提出了利用相對論薩格納克效應，突破靜態光學腔量子探測的理論極限。相對于靜止的光學傳感器，這種不依賴光學耗散或器件體積，僅依賴機械轉速的旋轉腔傳感器可顯著增強微粒對光的影響，放大光學輸出的變化，進而突破量子探測理論極限，實現超高靈敏度探測
來源：科技日報；記者俞慧友
課題組目前研究方向包括硒化銻薄膜太陽能電池、非鉛鈣鈦礦發光材料與器件、X射線直接與間接探測材料與器件、量子點紅外探測材料與器件。（來源：華中科大、武漢光電國家研究中心）
雖然人們已經開始嘗試尋找時空拓撲缺陷，但由于人類太空量子探測技術的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙時空與凝聚態物質的類比關系，理論物理學家提出了變換光學的方法，主要是在凝聚態介質中通過連續改變物質的屬性，模擬引力場彎曲時空，從而在實驗上檢驗和演示各種彎曲時空中光子態的演化特性和量子效應，例如：光子黑洞、霍金輻射效應、宇宙膨脹紅移等。
