NIST团队开发最高分辨率单光子超导相机

国家标准与技术研究所 (NIST) 的研究人员及其同事制造了一款包含 400,000 像素的超导相机，是任何其他同类设备的 400 倍。

超导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。拥有更多像素可以在科学和生物医学研究中开辟许多新应用。

NIST 相机由超细电线网格组成，冷却至接近绝对零，电流在其中毫无阻力地移动，直到电线被光子击中。在这些超导纳米线相机中，即使是单个光子所传递的能量也可以被检测到，因为它会关闭网格上特定位置(像素)的超导性。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，这些设备包含的像素不超过几千个——对于大多数应用来说太有限了。

制造具有更多像素的超导相机提出了严峻的挑战，因为几乎不可能将数千个冷冻像素连接到自己的读出线。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 Adam McCaughan 和 Bakhrom Oripov 以及他们在宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的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，将来自许多像素的信号组合到几条室温读出线上。

任何超导线材的一般特性是它允许电流自由流动直至达到某个最大“临界”电流。为了利用这种行为，研究人员向传感器施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，即使单个光子撞击一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够无阻力地流过纳米线，而是被分流到连接到每个像素的小型电阻加热元件。分流电流产生可快速检测的电信号。

NIST 团队借鉴现有技术，构建了具有交叉超导纳米线阵列的相机，这些超导纳米线阵列形成多行和多列，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——由它所在的行和列唯一地定义。

这种安排使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线的数量。为此，研究人员将一根超导读出线平行但不接触像素行，并将另一根导线平行但不接触列。

仅考虑与行平行的超导读出线。当光子撞击像素时，分流到电阻加热元件的电流会加热读出线的一小部分，从而形成一个微小的热点。热点反过来产生两个沿着读出线以相反方向行进的电压脉冲，由两端的检测器记录。脉冲到达末端检测器所需的时间差揭示了像素所在的列。与列平行的第二条超导读出线具有类似的功能。

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。他们还可以每秒计算多达 100,000 个光子撞击网格。

一旦团队采用了新的读出架构，奥里波夫在增加像素数量方面取得了快速进展。几周之内，像素数量从 20,000 跃升至 400,000。麦考恩说，读出技术可以很容易地扩展到更大的相机，并且具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就会面世。

在接下来的一年里，该团队计划提高原型相机的灵敏度，以便它几乎可以捕获每个传入的光子。这将使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以及为利用近透视 光观察人体组织的生物医学研究做出贡献等低光任务。 。

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