为了进一步了解物质、能量、空间和时间的本质，物理学家在大型加速器中将高能粒子撞击在一起，每秒产生数百万个不同质量和速度的粒子。碰撞还可能产生标准模型（我们宇宙中基本粒子和力的主流理论）无法预测的全新粒子。目前正在计划制造更强大的粒子加速器，其碰撞将释放出更大的亚原子风暴。研究人员将如何在混乱中进行筛??？

SMSPD 可以精确地一次性探测单个粒子。这些探测器由喷气推进实验室 (JPL) 设计和制造，并在 INQNET-Caltech 实验室投入使用。

答案可能就在量子传感器中。来自美国能源部费米国家加速器实验室（费米实验室）、加州理工学院、美国国家航空航天局喷气推进实验室（由加州理工学院管理）和其他合作机构的研究人员开发出了一种新型高能粒子探测仪器方法，利用了量子传感器（能够精确探测单个粒子的设备）的强大功能。

加州理工学院陈尚义物理学教授玛丽亚-斯皮罗普鲁（Maria Spiropulu,）说：“在未来 20 到 30 年内，随着粒子对撞机的能量和强度越来越强大，我们将看到粒子对撞机的模式发生转变?！?/span>

“这意味着我们需要更精确的探测器。这就是我们今天开发量子技术的原因。我们希望将量子传感纳入我们的工具箱，以优化对新粒子和暗物质的下一代搜索，并研究空间和时间的起源?！?/span>

该研究团队在《仪器仪表杂志》上发表的一篇报道称，该研究小组还包括日内瓦大学和委内瑞拉圣玛丽亚大学的合作者，他们在芝加哥附近的费米实验室首次测试了名为超导微线单光子探测器（SMSPD）的新技术。他们将量子传感器暴露在高能质子、电子和离子束中，结果表明，与传统探测器相比，这种传感器能高效地探测到粒子，并提高了时间和空间分辨率。

费米实验室的科学家、加州理工学院联合聘用的研究科学家谢思（Si Xie）表示，这是为未来粒子物理实验开发先进探测器迈出的重要一步。

“这仅仅是个开始，”他说，“我们有可能探测到比以前质量更小的粒子，以及像那些可能构成暗物质的奇异粒子。”

费米实验室测试光束设施中用于研究SMSPD的实验装置。一台硅望远镜追踪每个入射粒子的位置。SMSPD位于望远镜一侧的六个条形?？楹土硪徊嗟乃母鱿袼匾约傲硗饬鎏跣文？橹洹Ｕ庑┠？榫】赡芸拷臀潞阄缕?。

这项研究中使用的量子传感器类似于相关系列的传感器（称为超导纳米线单光子探测器或SNSPD），后者在量子网络和天文学实验中都有应用。例如，喷气推进实验室（JPL）的研究人员——他们是是世界上设计和制造这类传感器的顶尖专家，他们最近在深空光通信实验中使用了这类传感器，这是一项利用激光从太空向地面传输高清数据的技术演示。

斯皮罗普鲁、谢思以及来自费米实验室、加州理工学院和喷气推进实验室的其他科学家还在量子网络实验中使用了SNSPD传感器，他们在实验中远距离传输信息--这是未来开发量子互联网的重要一步。该计划名为“智能量子网络与技术”（INQNET），由加州理工学院和AT&T于2017年联合创立。

在粒子物理测试中，研究人员使用的是 SMSPD 而不是 SNSPD，因为它们有更大的表面积来收集喷出的粒子。他们首次使用传感器检测带电粒子，这种能力在量子网络或天文学应用中并不需要，但在粒子物理实验中却是必不可少的。谢思说：“这项研究的新颖之处在于，我们证明了传感器能够有效地探测带电粒子。"

SMSPD 传感器还能在空间和时间上更精确地探测粒子。谢思说："我们称它们为4D传感器，因为它们可以同时实现更好的空间和时间分辨率。通常在粒子物理实验中，你必须调整传感器，使其具有更精确的时间分辨率或空间分辨率，但不能同时实现这两个目标?！?/span>

当研究人员在分析高速碰撞后飞出的成串粒子时，他们希望能够精确地追踪它们在空间和时间上的轨迹。

打个比方，假设你想使用安防图像来追踪躲藏在从不同列车涌入中央车站的人群中的可疑人物。你希望图像有足够的空间分辨率来追踪个人。但是，你还需要足够的时间分辨率，以确保你能抓到目标人物。如果你只能获得每 10 秒钟拍摄一次的图像，你可能会错过这个人，但如果你能获得每秒钟拍摄一次的图像，你的成功率就会更高。

斯皮罗普鲁说：“在这些碰撞中，你可能希望每秒跟踪数百万个事件的表现。你会被数以百计的相互作用所淹没，很难精确地找到主要的相互作用。早在 20 世纪 80 年代，我们认为有空间坐标就足够了，但现在，随着粒子碰撞越来越激烈，产生的粒子越来越多，我们还需要跟踪时间。”

利用SMSPD高效探测高能粒子的多机构研究团队。图中前排（从左至右）：Cristián Pe?a、Artur Apresyan和Si Xie；中排：Carlos Perez、Christina Wang和Adi Bornheim；后排：Aram、Matias Barria、Valentina Vega和Claudio San Martin。

费米实验室科学家、加州理工学院校友克里斯蒂安-佩尼亚（Cristián Pe?a，2017 年博士）表示："我们很高兴能够参与像 SMSPD 等前沿探测器的研发工作，因为它们可能会在该领域的顶点项目中发挥至关重要的作用，例如计划中的未来环形对撞机或μ介子对撞机。我们很高兴能组建一支横跨多个机构的世界级团队，将这一新兴研究推向新的高度?！?/span>