科学家研制出分辨率最高的单光子超导照相机

资料来源：S. Kelley/美国国家标准与技术研究院

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其同事制造出了一台超导照相机，它拥有 40 万像素，是其他同类设备的 100 倍。

超导照相机可以让科学家捕捉到非常微弱的光信号，无论是来自太空中遥远物体的信号，还是来自人类大脑部分区域的信号。拥有更多的像素可以为科学和生物医学研究开辟许多新的应用领域。研究人员在 10 月 26 日出版的《自然》杂志上报告了他们的研究成果。

NIST 相机是由冷却到接近绝对零度的超细电线网格组成的，其中的电流运动没有阻力，直到电线被光子击中。在这些超导纳米线照相机中，即使一个光子传递的能量也能被检测到，因为它会关闭网格上特定位置（像素）的超导。将所有光子的位置和强度组合起来，就形成了图像。

第一台能够检测单光子的超导相机是 20 多年前开发的。从那时起，这些设备所包含的像素都不超过几千个，对于大多数应用来说都过于有限。

制造像素数量更多的超导照相机是一项严峻的挑战，因为要将成千上万个像素中的每一个冷冻像素都连接到自己的读出线上几乎是不可能的。这一挑战源于这样一个事实，即相机的每个超导元件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数百万个像素中的每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。

NIST 研究人员亚当-麦考恩（Adam McCaughan）和巴赫罗姆-奥里波夫（Bakhrom Oripov）以及他们在美国宇航局帕萨迪纳喷气推进实验室（NASA's Jet Propulsion Laboratory）和科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的合作者克服了这一障碍，将许多像素的信号合并到几根室温读出线上。

任何超导线缆都有一个普遍特性，即允许电流自由流动到一定的最大 "临界 "电流。为了利用这一特性，研究人员在传感器上施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，哪怕只有一个光子击中一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够无阻力地流过纳米线，而是被分流到与每个像素相连的小型电阻加热元件上。分流电流产生的电信号可被迅速检测到。

借鉴现有技术，NIST 团队建造了一台相机，相机中的超导纳米线阵列相互交叉，形成多行多列，就像井字游戏中的行列一样。每个像素--以单根垂直和水平纳米线交叉点为中心的微小区域--由其所在的行和列唯一定义。

这种安排使研究小组能够一次测量来自整行或整列像素的信号，而不是记录来自每个像素的数据，从而大大减少了读出线的数量。为此，研究人员将一根超导读出线与像素行平行但不接触，将另一根读出线与像素列平行但不接触。

只考虑与行列平行的超导读出线。当一个光子击中一个像素时，分流到电阻加热元件的电流会加热读出线的一小部分，形成一个微小的热点。热点反过来又会产生两个电压脉冲，沿读出线以相反的方向移动，由两端的探测器记录下来。脉冲到达两端探测器的时间差揭示了像素所在的柱。与柱平行的第二条超导读出线也具有类似的功能。

探测器可以分辨出短至 50 万亿分之一秒的信号到达时间差异。它们还能对每秒撞击网格的 10 万个光子进行计数。

团队采用新的读出架构后，奥里波夫在增加像素数量方面取得了快速进展。几周内，像素数量就从 2 万跃升至 40 万。麦考恩说，这种读出技术可以很容易地扩展到更大的照相机，拥有数千万或数亿像素的超导单光子照相机很快就能问世。

在接下来的一年里，该团队计划提高原型相机的灵敏度，使其能够捕捉到几乎每一个进入的光子。这将使该相机能够应对诸如成像太阳系外的微弱星系或行星、测量基于光子的量子计算机中的光以及促进使用近红外线窥视人体组织的生物医学研究等弱光工作。

参考资料

Bakhrom Oripov , A superconducting-nanowire single-photon camera with 400,000 pixels, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06550-2. www.nature.com/articles/s41586-023-06550-2​​

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