最高分辨率单光子超导相机问世

2023-10-27 10:32 作者：张梦然科技日报责任编辑：吴静

原标题：最高分辨率单光子超导相机问世

科技日报北京10月26日电（记者张梦然）美国国家标准与技术研究所（NIST）团队制造了一款包含40万像素的超导相机，分辨率是其他同类设备的400倍。26日发表在《自然》杂志的此项成果，未来将可用于生物医学成像及天文观测等领域。

该相机由超细电线网格组成，冷却至接近绝对零度，电流在其中毫无阻力地移动，直到电线被光子击中。在这款超导纳米线相机中，即使是单个光子所传递的能量也可被检测到，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。

超导相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。NIST与美国国家航空航天局喷气推进实验室、科罗拉多大学博尔德分校研究人员组成的团队克服了这一障碍，将来自许多像素的信号组合到几条室温读出线上。

超导线材的一般特性是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流过纳米线，而是被分流到连接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。

团队此次构建了具有交叉超导纳米线阵列的相机，这些纳米线形成多行和多列，这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。

当光子撞击像素时，会形成一个微小的热点。热点反过来产生两个电压脉冲，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，就揭示了像素所在的列。探测器可识别短至五十万亿分之一秒的信号到达时间差异。采用新的读出架构后，团队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2万跃升至40万。

这一读出技术可很容易地扩展到更大的相机，具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就会面世。

【总编辑圈点】

这不但是目前同类产品中分辨率最高的相机，还将是未来低光工作的最理想选择之一。因为在接下来的一年里，该团队还会进一步提高原型相机的灵敏度，以便它可捕获每个传入的光子。这样优化后，相机可以在基于光子的量子计算机中测量光，还可以为利用近红外光观察人体组织的生物医学研究作贡献，甚至，它能成功对太阳系之外的微弱星系或行星进行成像。

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