美國制造出一種40萬像素的超導納米線單光子相機

據麥姆斯咨詢報道，近期，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員制造出一款包含40萬像素的超導納米線單光子相機，其分辨率超過其它同類相機的數十至數百倍。相關論文以“A superconducting nanowire single-photon camera with 400,000 pixels”為題發(fā)表于《自然（Nature）》期刊。

超導納米線單光子相機使科學家能夠捕獲非常微弱的光信號，無論是來自太空中遙遠的物體還是人腦的某些部分。NIST團隊評論說，擁有更多像素的超導納米線單光子相機“可以在科學和生物醫(yī)學研究中開辟眾多新應用”。

這款超導納米線單光子相機將能夠在極低光照條件下捕捉天文圖像

NIST制造的超導納米線單光子相機由超細納米線網格組成，冷卻至接近絕對零度，其中電子毫無阻力地移動（即超導特性），直到納米線被光子擊中后產生電阻變化。在超導納米線單光子相機中，即使是單個光子所傳遞的能量也可以被檢測到，因為它會“消除”納米線網格上特定像素的超導特性，然后結合所有光子的所有位置和強度就形成了圖像。

第一個能夠探測單光子的超導相機是在20多年前開發(fā)出來的。從那時起，此類相機包含的像素不超過幾千個——對于大多數應用來說太有限了。然而，構建具有大陣列像素的超導納米線單光子相機極具挑戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)源于這樣一個事實：相機的每個超導組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將數十萬（甚至數百萬）像素陣列中的每個像素單獨連接到冷卻系統(tǒng)幾乎是不可能的。

NIST研究人員Adam McCaughan和Bakhrom Oripov以及美國國家航空航天局噴氣推進實驗室和科羅拉多大學博爾德分校的合作者共同克服了這一障礙，將來自許多像素的信號組合到幾條室溫讀出電路線上。

NIST團隊借鑒現有技術，構建了具有交叉超導納米線陣列的單光子探測器，這些納米線形成多行和多列，就像井字游戲中的那樣。每個像素——以單獨的垂直和水平納米線交叉點為中心的微小區(qū)域——由其所在的行和列唯一地定義。

這種行列設計使NIST團隊能夠一次測量來自整行或整列像素的信號，而不是記錄每個單獨像素的數據，從而大大減少了讀出電路線的數量。為此，研究人員將一根超導讀出電路線與像素行平行但不接觸，將另一根超導讀出電路線與像素列平行但不接觸。

NIST團隊研發(fā)的單光子探測器可以識別短至50萬億分之一秒的信號到達時間差異，還能夠每秒統(tǒng)計多達10萬個光子撞擊超導納米線網格，并且一旦采用了新的讀出電路架構，那么探測器的像素數量就取得了快速發(fā)展：幾周之內，像素數量從2萬躍升至40萬。

“讀出電路技術可以很容易地擴展到更大像素規(guī)模的單光子探測器?！盢IST研究人員Adam McCaughan說，“具有數千萬或數億像素的超導納米線單光子探測器很快就會問世?！?/p>

在接下來的一年里，該團隊計劃提高原型單光子相機的靈敏度，以便它能夠捕獲“幾乎每個入射的光子”。這將使單光子相機能夠解決諸如對太陽系之外的微弱星系或行星進行成像、在基于光子的量子計算機中測量光子，以及為生物醫(yī)學研究做出貢獻等低光照任務。

審核編輯：劉清