據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員制造出一款包含40萬(wàn)像素的超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)，其分辨率超過(guò)其它同類相機(jī)的數(shù)十至數(shù)百倍。相關(guān)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(dǎo)納米線單光子相機(jī)使科學(xué)家能夠捕獲非常微弱的光信號(hào)，無(wú)論是來(lái)自太空中遙遠(yuǎn)的物體還是人腦的某些部分。NIST團(tuán)隊(duì)評(píng)論說(shuō)，擁有更多像素的超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)“可以在科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究中開(kāi)辟眾多新應(yīng)用”。

這款超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)將能夠在極低光照條件下捕捉天文圖像

NIST制造的超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)由超細(xì)納米線網(wǎng)格組成，冷卻至接近絕對(duì)零度，其中電子毫無(wú)阻力地移動(dòng)（即超導(dǎo)特性），直到納米線被光子擊中后產(chǎn)生電阻變化。在超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)中，即使是單個(gè)光子所傳遞的能量也可以被檢測(cè)到，因?yàn)樗鼤?huì)“消除”納米線網(wǎng)格上特定像素的超導(dǎo)特性，然后結(jié)合所有光子的所有位置和強(qiáng)度就形成了圖像。

第一個(gè)能夠探測(cè)單光子的超導(dǎo)相機(jī)是在20多年前開(kāi)發(fā)出來(lái)的。從那時(shí)起，此類相機(jī)包含的像素不超過(guò)幾千個(gè)——對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)太有限了。然而，構(gòu)建具有大陣列像素的超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)極具挑戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)源于這樣一個(gè)事實(shí)：相機(jī)的每個(gè)超導(dǎo)組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將數(shù)十萬(wàn)（甚至數(shù)百萬(wàn)）像素陣列中的每個(gè)像素單獨(dú)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(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的合作者共同克服了這一障礙，將來(lái)自許多像素的信號(hào)組合到幾條室溫讀出電路線上。

NIST團(tuán)隊(duì)借鑒現(xiàn)有技術(shù)，構(gòu)建了具有交叉超導(dǎo)納米線陣列的單光子探測(cè)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(gè)像素——以單獨(dú)的垂直和水平納米線交叉點(diǎn)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(shè)計(jì)使NIST團(tuán)隊(duì)能夠一次測(cè)量來(lái)自整行或整列像素的信號(hào)，而不是記錄每個(gè)單獨(dú)像素的數(shù)據(jù)，從而大大減少了讀出電路線的數(shù)量。為此，研究人員將一根超導(dǎo)讀出電路線與像素行平行但不接觸，將另一根超導(dǎo)讀出電路線與像素列平行但不接觸。

NIST團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單光子探測(cè)器可以識(shí)別短至50萬(wàn)億分之一秒的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差異，還能夠每秒統(tǒng)計(jì)多達(dá)10萬(wàn)個(gè)光子撞擊超導(dǎo)納米線網(wǎng)格，并且一旦采用了新的讀出電路架構(gòu)，那么探測(cè)器的像素?cái)?shù)量就取得了快速發(fā)展：幾周之內(nèi)，像素?cái)?shù)量從2萬(wàn)躍升至40萬(wàn)。

“讀出電路技術(shù)可以很容易地?cái)U(kuò)展到更大像素規(guī)模的單光子探測(cè)器。”NIST研究人員Adam McCaughan說(shuō)，“具有數(shù)千萬(wàn)或數(shù)億像素的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器很快就會(huì)問(wèn)世?！?/p>

在接下來(lái)的一年里，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃提高原型單光子相機(jī)的靈敏度，以便它能夠捕獲“幾乎每個(gè)入射的光子”。這將使單光子相機(jī)能夠解決諸如對(duì)太陽(yáng)系之外的微弱星系或行星進(jìn)行成像、在基于光子的量子計(jì)算機(jī)中測(cè)量光子，以及為生物醫(yī)學(xué)研究做出貢獻(xiàn)等低光照任務(wù)。

審核編輯：劉清