40 万像素超导纳米线单光子照相机

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拥有 40 万像素的超导照相机，是其他同类设备的 100 倍。

经过计划中的改进，NIST 的新型 400,000 单线超导相机（同类相机中分辨率最高的相机）将有能力在极低照度条件下捕捉天文图像。图片来源：pixaby 和 S. Kelley/NIST。
超导相机使科学家们能够捕捉到来自太空中遥远物体或人类大脑部分的非常微弱的光信号。拥有更多的像素可以为科学和生物医学研究带来许多新用途。

NIST 相机由冷却到接近绝对零度的超细电线网格组成，允许电流无阻力地流动，直到电线被光子击中。这些超导纳米线照相机可以检测到单个光子提供的能量，因为光子会关闭网格上特定点（像素）的超导。图像由所有光子的位置和强度组合而成。

20 多年前，第一台能够检测单光子的超导相机问世。从那时起，这种小玩意儿就只有几千个像素，对于大多数应用来说都太少了。

开发像素数高得多的超导照相机一直是个难题，因为几乎不可能将数千个冷冻像素中的每个像素都连接到读出线上。

这种困难源于这样一个事实，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，而将成千上万个像素中的每个像素连接到冷却系统几乎是不可能的。

NIST 研究人员 Adam McCaughan 和 Bakhrom Oripov，以及来自美国宇航局加州帕萨迪纳喷气推进实验室和科罗拉多大学博尔德分校的合作者，通过将多个像素的信号整合到几根室温读出导线上，克服了这一难题。

任何超导导线都具有允许电流自由流动到特定最大 "临界 "电流的一般特性。为了利用这一特性，研究人员向传感器提供了略低于最大值的电流。在这种情况下，即使只有一个光子撞击像素，也会破坏超导。

电流无法再无阻力地通过纳米线，而是被输送到与每个像素相连的小型电阻加热元件。分流电流产生的电信号可以被快速检测到。

NIST 团队利用现有技术制造了这款相机，超导纳米线的交叉阵列形成了几行几列，类似于井字游戏。每个像素--聚焦在单根垂直和水平纳米线交叉点上的微小区域--都由其所在的行和列单独表征。

这种技术使科学家们能够一次性测量整行或整列像素的信号，而不是捕捉每个像素的数据，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，将另一根超导读出线与像素列平行但不接触。

考虑与行列平行的超导读出线。当光子接触像素时，流经电阻加热元件的电流会加热读出线的一小部分，从而产生一个微小的热点。

反过来，热点又会产生两个电压脉冲，这两个脉冲沿着读出线以相反的方向传播，并被两端的探测器记录下来。脉冲到达两端探测器的时间差显示了像素所在的柱。第二根与柱平行的超导读出线也起着类似的作用。

这些探测器可以检测到信号到达时间的变化，最小可达到 50 万亿分之一秒。它们还能对每秒撞击网格的多达 10 万个光子进行计数。

奥里波夫团队采用新的读出设计后，在扩大像素数量方面取得了快速进展。几周之内，像素数就从 2 万增加到了 40 万。据麦考恩称，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不久就可以问世。

研究小组打算在明年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。这将使该相机能够执行弱光任务，如成像暗星系或太阳系外的行星，在基于光子的量子计算机中量化光，以及为利用近红外线观察人体组织的生物医学研究做出贡献。

参考资料

Oripov, B. G., et al. (2023) A superconducting nanowire single-photon camera with 400,000 pixels. Nature. doi:10.1038/s41586-023-06550-2