美国制造出一种40万像素的超导纳米线单光子相机

据麦姆斯咨询报道，近期，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员制造出一款包含40万像素的超导纳米线单光子相机，其分辨率超过其它同类相机的数十至数百倍。相关论文以“A superconducting nanowire single-photon camera with 400,000 pixels”为题发表于《自然（Nature）》期刊。

超导纳米线单光子相机使科学家能够捕获非常微弱的光信号，无论是来自太空中遥远的物体还是人脑的某些部分。NIST团队评论说，拥有更多像素的超导纳米线单光子相机“可以在科学和生物医学研究中开辟众多新应用”。

这款超导纳米线单光子相机将能够在极低光照条件下捕捉天文图像

NIST制造的超导纳米线单光子相机由超细纳米线网格组成，冷却至接近绝对零度，其中电子毫无阻力地移动（即超导特性），直到纳米线被光子击中后产生电阻变化。在超导纳米线单光子相机中，即使是单个光子所传递的能量也可以被检测到，因为它会“消除”纳米线网格上特定像素的超导特性，然后结合所有光子的所有位置和强度就形成了图像。

第一个能够探测单光子的超导相机是在20多年前开发出来的。从那时起，此类相机包含的像素不超过几千个——对于大多数应用来说太有限了。然而，构建具有大阵列像素的超导纳米线单光子相机极具挑战性。挑战源于这样一个事实：相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数十万（甚至数百万）像素阵列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Adam McCaughan和Bakhrom Oripov以及美国国家航空航天局喷气推进实验室和科罗拉多大学博尔德分校的合作者共同克服了这一障碍，将来自许多像素的信号组合到几条室温读出电路线上。

NIST团队借鉴现有技术，构建了具有交叉超导纳米线阵列的单光子探测器，这些纳米线形成多行和多列，就像井字游戏中的那样。每个像素——以单独的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地定义。

这种行列设计使NIST团队能够一次测量来自整行或整列像素的信号，而不是记录每个单独像素的数据，从而大大减少了读出电路线的数量。为此，研究人员将一根超导读出电路线与像素行平行但不接触，将另一根超导读出电路线与像素列平行但不接触。

NIST团队研发的单光子探测器可以识别短至50万亿分之一秒的信号到达时间差异，还能够每秒统计多达10万个光子撞击超导纳米线网格，并且一旦采用了新的读出电路架构，那么探测器的像素数量就取得了快速发展：几周之内，像素数量从2万跃升至40万。

“读出电路技术可以很容易地扩展到更大像素规模的单光子探测器。”NIST研究人员Adam McCaughan说，“具有数千万或数亿像素的超导纳米线单光子探测器很快就会问世。”

在接下来的一年里，该团队计划提高原型单光子相机的灵敏度，以便它能够捕获“几乎每个入射的光子”。这将使单光子相机能够解决诸如对太阳系之外的微弱星系或行星进行成像、在基于光子的量子计算机中测量光子，以及为生物医学研究做出贡献等低光照任务。

审核编辑：刘清