基于石墨烯的超灵敏微波探测器

由韩国POSTECH公司、雷神BBN技术公司、哈佛大学、美国麻省理工学院、西班牙巴塞罗那科技学院、日本国家材料科学研究院组成的国际联合研究团队，已经开发出超灵敏的传感器，可以以理论上可能的最高灵敏度探测微波。这项研究结果作为一项使下一代技术如量子计算机商业化的技术正在引起人们的关注。

微波应用于广泛的科学技术领域，包括移动通信、雷达和天文学。目前，微波功率可以用一种叫做热辐射计的装置来检测。测辐射热计通常由三种材料组成：电磁吸收材料、将电磁波转化为热量的材料和将产生的热量转化为电阻的材料。测辐射热计利用电阻的变化来计算吸收的电磁波的量。在测辐射热计中使用半导体二极管，如硅和砷化镓，在室温下工作的最先进的商业测辐射热计的灵敏度被限制在1毫瓦（十亿分之一瓦特），平均时间为1秒。

研究团队突破了这一限制，在材料和结构方面进行了创新。首先，研究小组使用石墨烯作为吸收电磁波的材料。石墨烯的电子热容很小，这意味着即使吸收很少的能量，它也会引起很大的温度变化。微波光子的能量很小，但是如果被石墨烯吸收，它们会引起相当大的温升。问题是石墨烯中的温度升高很快冷却下来，很难测量这种变化。

为了解决这个问题，研究小组采用了一种叫做约瑟夫森结的装置。这种量子器件由超导体石墨烯超导体（SGS）组成，可以通过电过程检测10皮秒（1万亿分之一秒）内的温度变化。这使得检测石墨烯的温度变化和由此产生的电阻成为可能。

结合这些关键成分，研究人员达到了1aw/Hz1/2的噪声等效功率，这意味着该设备可以在一秒钟内分辨1aw（1万亿瓦特）。

李教授认为，这项研究对于下一代量子技术的研究具有重要意义。他进一步解释说，“这项研究开发了一种测辐射热计技术，可以测量每单位时间吸收多少微波光子。但目前，我们正在开发一种能够区分每一个微波光子的单光子探测技术。”他总结道，“我们希望这项技术能够最大限度地提高量子计算的测量效率，并大幅减少间接资源，从而使大规模量子计算机得到极大的利用。雷神BBN技术公司的金钟芳博士评论道：“我们看到射电天文学领域研究宇宙起源的人和粒子物理学中研究暗物质的人对这项研究产生了意外的兴趣。”，“这是基础科学研究如何应用到各个领域的一个例子。”