Квантовые детекторы — это устройства, регистрирующие кванты излучения (фотоны, электроны, нейтрино и др.) с учетом их квантовой природы. В отличие от классических методов регистрации, основанных на непрерывных процессах, квантовые детекторы эксплуатируют дискретные события взаимодействия частиц с веществом и их волновую или корпускулярную двойственность.
В основе работы квантовых детекторов лежат квантовые переходы, квантовая интерференция, запутанность, туннелирование и другие нетривиальные квантовые эффекты. Эти устройства обеспечивают как высокую чувствительность, так и возможность измерения фундаментальных свойств квантовых объектов, включая спин, фазу, энергию и импульс.
Одним из центральных объектов в физике элементарных частиц является фотон. Для регистрации одиночных фотонов применяются различные типы квантовых детекторов, включая:
ФЭУ основаны на фотоэлектрическом эффекте: падающий фотон выбивает электрон с фотокатода, далее электрон ускоряется и вызывает каскад вторичных эмиссий на динодах, что приводит к измеримому току. Несмотря на кажущуюся классичность, это устройство — квантовый детектор, поскольку фотон здесь детектируется как единичный квант возбуждения.
SNSPD демонстрируют исключительно высокую квантовую эффективность (более 90%) при регистрации одиночных фотонов. Они основаны на туннельном разрушении сверхпроводимости в узкой нанопроволоке при поглощении фотона, приводящем к формированию нормальной зоны и резкому изменению сопротивления.
Эти устройства способны различать одиночные кванты света и используются, в частности, в схемах квантовой криптографии и оптических измерениях в экспериментах на столкновителях.
Регистрация и манипуляция спином элементарных частиц — одна из важнейших задач. Квантовые детекторы, чувствительные к спину, используют следующие принципы:
ЯМР позволяет измерять квантовое состояние ядра с точностью до его квантового числа спина. Современные методы ЯМР используются для чтения состояния отдельных спиновых кубитов и для измерения свойств антивещества, включая антипротон и антиводород.
В полупроводниковых гетероструктурах удается изолировать одиночные электроны и использовать их спин как объект детектирования. Измерение спинового состояния происходит с помощью спин-зависимого туннелирования или оптической спектроскопии.
Широко используются в экспериментах с запутанными фотонами. Устройство реализует интерференцию амплитуд вероятностей для альтернативных путей прохождения фотона. Деструктивная и конструктивная интерференция позволяют с высокой точностью определять наличие внешнего поля или возмущения, действующего на один из путей, тем самым служа квантовым сенсором.
Регистрация фазовых сдвигов в таких системах позволяет выявлять гравитационные или инерционные возмущения. Эти детекторы, благодаря когерентной волновой природе конденсата, обеспечивают рекордную чувствительность к слабым взаимодействиям.
СКВИД — это детекторы магнитного потока, основанные на эффекте Джозефсона. Они эксплуатируют интерференцию волновых функций куперовских пар в сверхпроводящем контуре с джозефсоновскими переходами. СКВИД могут обнаруживать изменения магнитного поля менее чем на квант потока — Φ0 = h/2e.
Благодаря этому СКВИДы используются как сверхчувствительные детекторы нейтрино, магнитных моментов частиц, а также в экспериментах по поиску аксионов и других гипотетических частиц тёмной материи.
Регистрируют энергию отдельной частицы (или фотона) по очень малому увеличению температуры в абсорбирующем элементе. Такие детекторы способны достигать энергетического разрешения порядка нескольких эВ, что делает их незаменимыми в прецизионных измерениях рентгеновского и гамма-излучения, например в экспериментах по точному измерению массы нейтрино.
Используют термодинамическую нестабильность в сверхпроводящем переходе, что позволяет с высокой точностью фиксировать малейшее тепловое воздействие. Применяются в космологии (например, в BICEP и Planck), а также в детектировании редких распадов, таких как 0νββ.
Нитридные вакансии (NV-центры) в алмазе используются как чувствительные сенсоры магнитного поля, электрического поля и температуры. Их спиновое состояние можно оптически инициализировать и считывать, что превращает такие центры в полноценные квантовые детекторы. Эти сенсоры функционируют даже при комнатной температуре и применяются для изучения магнитных свойств элементарных частиц, например спиновой поляризации мюонов.
Из-за слабого взаимодействия нейтрино детектировать их крайне трудно. Применяются методы, основанные на когерентном рассеянии нейтрино на ядрах:
Также перспективными являются проекты с использованием запутанных состояний атомов, способных регистрировать нарушения симметрий, вызванные взаимодействием с нейтрино.
Особое место в квантовых детекторах занимают неразрушающие квантовые измерения (quantum non-demolition, QND), при которых измерение одного наблюдаемого не разрушает когерентность системы относительно других. Такие методы позволяют многократно считывать квантовое состояние системы (например, число фотонов в резонаторе или наличие одиночного иона в ловушке).
Развитие квантовых технологий в физике элементарных частиц ведет к формированию нового класса экспериментов, где квантовые детекторы не просто фиксируют наличие события, но также участвуют в его когерентной эволюции, позволяя извлекать информацию о квантовых корреляциях, нелокальности и фундаментальных свойствах материи.
Ограничения, накладываемые теоремой о запрете клонирования, неопределенностью Гейзенберга и шумом измерения, задают как физические, так и технологические рамки для проектирования новых поколений квантовых сенсоров. Их преодоление требует синергии усилий в квантовой оптике, квантовой информации, теории поля и технологии материалов.