高分辨率單光子超導(dǎo)相機科研進展

美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員們已經(jīng)制造出了一臺超導(dǎo)相機，其像素高達40萬，是其他同類設(shè)備的400倍。

超導(dǎo)相機使科學(xué)家能夠捕捉到非常微弱的光信號，無論是來自遙遠的太空物體，還是人類大腦的某些部分。擁有更多的像素可以在科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究中開辟許多新的應(yīng)用。 相關(guān)研究成果發(fā)表在10月26日的《自然》雜志上。

NIST的相機由超細電線網(wǎng)格組成，冷卻到接近絕對零度，電流在其中無阻力移動，直到電線被光子擊中。

在這些超導(dǎo)納米線相機中，即使是單個光子傳遞的能量也可以被檢測到，因為它會在網(wǎng)格上的特定位置(像素)關(guān)閉超導(dǎo)性。把所有光子的位置和強度結(jié)合起來，就形成了一幅圖像。

第一臺能夠探測單光子的超導(dǎo)照相機是在20多年前研制出來的。從那以后，這些設(shè)備的像素都不超過幾千像素——對大多數(shù)應(yīng)用來說太有限了。

制造一個具有更多像素的超導(dǎo)相機是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，因為它幾乎不可能將成千上萬個冷凍像素中的每一個都連接到它自己的讀出線上。

這一挑戰(zhàn)源于這樣一個事實，即相機的每個超導(dǎo)組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將數(shù)百萬像素中的每個像素單獨連接到冷卻系統(tǒng)幾乎是不可能的。

NIST的研究人員Adam McCaughan和Bakhrom Oripov以及他們在加州帕薩迪納市NASA噴氣推進實驗室和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的合作者克服了這一障礙，他們將來自許多像素的信號組合到幾根室溫讀出線上。

任何超導(dǎo)導(dǎo)線的一個普遍特性是，它允許電流自由流動，直到某個最大“臨界”電流。

為了利用這種行為，研究人員對傳感器施加了略低于最大電流的電流。

在這種情況下，即使一個光子擊中一個像素，也會破壞超導(dǎo)性。電流不再能夠無阻力地通過納米線，而是分流到連接到每個像素的小電阻加熱元件。分流的電流產(chǎn)生了一個可以快速檢測到的電信號。

借鑒現(xiàn)有的技術(shù)，NIST的團隊構(gòu)建了相機，使超導(dǎo)納米線的交叉陣列形成多行和多列，就像在井字游戲中一樣。

每個像素——以垂直和水平納米線相交的點為中心的一個小區(qū)域——由它所在的行和列唯一地定義。 這種安排使研究小組能夠一次測量來自整行或整列像素的信號，而不是記錄每個像素的數(shù)據(jù)，從而大大減少了讀出線的數(shù)量。

為此，研究人員將一根超導(dǎo)讀出線與像素行平行但不接觸，另一根線與像素行平行但不接觸。

只考慮與這些行平行的超導(dǎo)讀出線。當光子擊中一個像素時，分流到電阻加熱元件的電流加熱讀出線的一小部分，形成一個微小的熱點。

熱點，反過來，產(chǎn)生兩個沿讀出線方向相反的電壓脈沖，由兩端的探測器記錄。脈沖到達末端探測器所需的時間差揭示了像素所在的列。另一根超導(dǎo)讀出線與柱子平行，起到類似的作用。

探測器可以識別短至50萬億分之一秒的信號到達時間的差異。他們還可以計算出每秒多達10萬個光子撞擊電網(wǎng)。

一旦團隊采用了新的讀出架構(gòu)，Oripov在增加像素數(shù)量方面取得了快速進展。

在幾周內(nèi)，這個數(shù)字從2萬像素躍升到40萬像素。McCaughan說，讀出技術(shù)可以很容易地擴展到更大的相機上，并且具有數(shù)千萬或數(shù)億像素的超導(dǎo)單光子相機很快就可以使用。

在接下來的一年里，研究小組計劃提高原型相機的靈敏度，這樣它就可以捕捉到幾乎所有入射的光子。

這將使相機能夠處理諸如成像太陽系以外的微弱星系或行星等低光工作，在基于光子的量子計算機中測量光線，并為使用近紅外光觀察人體組織的生物醫(yī)學(xué)研究做出貢獻。

審核編輯：劉清