高分辨率单光子超导相机科研进展

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员们已经制造出了一台超导相机，其像素高达40万，是其他同类设备的400倍。

超导相机使科学家能够捕捉到非常微弱的光信号，无论是来自遥远的太空物体，还是人类大脑的某些部分。拥有更多的像素可以在科学和生物医学研究中开辟许多新的应用。 相关研究成果发表在10月26日的《自然》杂志上。

NIST的相机由超细电线网格组成，冷却到接近绝对零度，电流在其中无阻力移动，直到电线被光子击中。

在这些超导纳米线相机中，即使是单个光子传递的能量也可以被检测到，因为它会在网格上的特定位置(像素)关闭超导性。把所有光子的位置和强度结合起来，就形成了一幅图像。

第一台能够探测单光子的超导照相机是在20多年前研制出来的。从那以后，这些设备的像素都不超过几千像素——对大多数应用来说太有限了。

制造一个具有更多像素的超导相机是一个严峻的挑战，因为它几乎不可能将成千上万个冷冻像素中的每一个都连接到它自己的读出线上。

这一挑战源于这样一个事实，即相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数百万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的研究人员Adam McCaughan和Bakhrom Oripov以及他们在加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室和科罗拉多大学博尔德分校的合作者克服了这一障碍，他们将来自许多像素的信号组合到几根室温读出线上。

任何超导导线的一个普遍特性是，它允许电流自由流动，直到某个最大“临界”电流。

为了利用这种行为，研究人员对传感器施加了略低于最大电流的电流。

在这种情况下，即使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通过纳米线，而是分流到连接到每个像素的小电阻加热元件。分流的电流产生了一个可以快速检测到的电信号。

借鉴现有的技术，NIST的团队构建了相机，使超导纳米线的交叉阵列形成多行和多列，就像在井字游戏中一样。

每个像素——以垂直和水平纳米线相交的点为中心的一个小区域——由它所在的行和列唯一地定义。 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，另一根线与像素行平行但不接触。

只考虑与这些行平行的超导读出线。当光子击中一个像素时，分流到电阻加热元件的电流加热读出线的一小部分，形成一个微小的热点。

热点，反过来，产生两个沿读出线方向相反的电压脉冲，由两端的探测器记录。脉冲到达末端探测器所需的时间差揭示了像素所在的列。另一根超导读出线与柱子平行，起到类似的作用。

探测器可以识别短至50万亿分之一秒的信号到达时间的差异。他们还可以计算出每秒多达10万个光子撞击电网。

一旦团队采用了新的读出架构，Oripov在增加像素数量方面取得了快速进展。

在几周内，这个数字从2万像素跃升到40万像素。McCaughan说，读出技术可以很容易地扩展到更大的相机上，并且具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就可以使用。

在接下来的一年里，研究小组计划提高原型相机的灵敏度，这样它就可以捕捉到几乎所有入射的光子。

这将使相机能够处理诸如成像太阳系以外的微弱星系或行星等低光工作，在基于光子的量子计算机中测量光线，并为使用近红外光观察人体组织的生物医学研究做出贡献。

审核编辑：刘清