( Quantum Sensors Will Transform Observations Of The Universe )

        作者：查尔斯•依雷奇／Charles，Elachi；
       乔纳斯•姆伊德齐纳斯／Jonas Zmuidzinas

        量子理论的巨大进步将帮助人类更深入地了解广袤的宇宙。
        光电效应的测量验证了爱因斯坦的光子理论，后者提出光波是一种分立的波包或能量子(现在称为光子)。这些理论也让爱因斯坦在后来获得了诺贝尔奖，而其中提到的光的波粒二象性为量子理论的发展起到了巨大的促进作用。
        到了2011年，火箭学和航空学已经有了极大的进步。而对量子领域的基础理解也为我们带来了晶体管、摩尔定律和互联网，以及移动电话。令人瞩目的是，宏观和微观这两个不同世界里各自的独立成果能互相促进、共同发展。GPS利用安装了原子钟的卫星来对地球上的任意位置进行极精准的定位。哈勃望远镜捕捉到了遥远星系发出的光子，并利用探测器阵列绘制出了壮观的图像；而探测器阵列则是由一位贝尔实验室的诺贝尔奖获得者发明、由NASA喷气推进实验室(JPL)进一步改进并最终应用在哈勃望远镜上的。此外，火星科学实验室的“好奇号”探测车将在不久之后使用由JPL研发的量子激光器在火星上搜索生命迹象。
        随着技术的不断发展，传感器已能探测整个光谱中的任意单个光子，而这也会促进未来的进一步革新。拥有数以百万计甚或数以十亿计像素的红外阵列和大型可见光设备目前已应用于天文望远镜、行星探测仪和地球观测任务。得益于半导体结构原子层面的量子工程技术，包括成本、性能和阵列尺寸等在内的重要参数也得到了持续改进。
        在光谱的微波段，以类似于半导体的技术控制发射／接收阵列，便能够得到被动和主动的大画面高分辨率成像。最终，我们将能实现另一个量子效应——超导。
        当前，科学家正在研究毫米和亚毫米波长的超导探测器，它的尺寸远远大过安装在2009年欧洲航天局发射的Herschel和Planck探测器上、由JPL生产的亚开尔文辐射热测定器阵列。
        这项超导技术同样可用于生产能测量单个光子能量的可见光／红外照相机。展望未来的探测技术，在结合了当前研发自适应轻量化望远镜和高精度光学元件时所获得的技术进步成果后，地球及其表面的大气层、行星、恒星和星系，甚至围绕其他恒星的行星系都将以前所未有的清晰面貌呈现在我们眼前。
        1905年之后，爱因斯坦将他的研究重点转移到了宏观世界。而他在1915年前提出的广义相对论不仅仅帮助了GPS来正确定位地理位置，还帮助我们了解整个宇宙的几何构造及其历史，例如，当前宇宙的框架源自137亿年前的大爆炸。这个理论已经被NASA的宇宙背景探测器和微波异向性探测器所提供的测量结果支持，而Planck探测器也将发回更多支持这一理论的探测细节。
        如今大小不一的世界在当初大爆炸发生后的一瞬间其实是一样的。科学家相信微观的量子涨落现象被“膨胀”过程所放大，形成了宏观结构并最终构成了我们今天所看到的所有的星系、恒星和行星。更让人振奋的是，通过在天文望远镜上应用毫米波超导探测器阵列，这些想法将能在未来得到验证。