一臺基于超導納米線單光子探測器（SNSPD）的40萬像素相機為天文學和量子技術應用提供了前所未有的低噪聲、高分辨率成像能力。在探索遙遠恒星和系外行星等微弱天體的過程中，捕捉每一個光子對于最大限度地提高任務的科學成果至關重要。用于這一任務的相機需要在極低的噪聲水平下工作，并能探測到最小數(shù)量的光：單光子。

一直以來，基于超導納米線單光子探測器的相機雖然能滿足低噪聲和高靈敏度的要求，但受限于其體積小，通常不超過幾千個像素，這限制了其捕捉高分辨率圖像的能力。然而，一個研究小組最近的一項突破打破了這一障礙，制造出了一臺擁有40萬像素的超導相機。這一進步使我們能夠探測從紫外線到紅外線波長的寬光譜微弱天文信號。

超導納米線單光子探測器

雖然有很多其他的成像技術，但使用超導納米線單光子探測器的相機因其極低的工作噪聲而非常適合在天文任務中使用。在對微弱光源成像時，相機必須如實報告接收到的光量，而不能歪曲接收到的光量或注入自己的錯誤信號。超導納米線單光子探測器由于其低溫運行和獨特的成分，完全可以勝任這一任務。

不過，雖然超導納米線單光子探測器在天文應用方面大有可為，但由于相機尺寸小，像素相對較少，它們在該領域的應用一直受到阻礙。由于這些探測器的靈敏度非常高，因此很難在小范圍內安裝大量的探測器而不相互干擾。此外，由于這些探測器需要在低溫箱中保持低溫，因此只能用少量的導線將信號從相機傳送到溫度較高的讀出電子裝置。

為了克服這些限制，美國國家標準與技術研究院（NIST）、美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員將時域多路復用技術應用于二維超導納米線單光子探測器陣列的檢測。SNSPD納米線排列成相交的行和列。當光子到達時，測量觸發(fā)行探測器和列探測器所需的時間，以確定是哪個像素發(fā)出的信號。通過這種方法，相機只需在幾根讀出導線上對許多行和列進行有效編碼，而無需數(shù)千根導線。

40萬像素超導相機原理

研究小組采用了這種讀出架構后，他們發(fā)現(xiàn)立即就可以構造像素數(shù)量極多的超導相機。正如技術帶頭人巴赫羅姆-奧里波夫博士所描述的那樣："這里最大的進步在于探測器是真正獨立的，因此如果你想要像素更高的相機，只需在芯片上增加更多的探測器即可。研究人員指出，雖然他們最近的項目是一個40萬像素的超導相機，但他們還即將展示一款像素超過100萬的超導相機。"

JPL小組成員與兩個低溫冷卻器原型，它們將用于測試遠紫外波長的超導照相機

研究人員認為，他們的超導相機最令人興奮的用途之一是在太陽系外尋找類地行星。為了成功探測到這些行星，未來的太空望遠鏡將觀測遙遠的恒星，尋找來自軌道行星的微小反射光或發(fā)射光。探測和分析這些信號極具挑戰(zhàn)性，需要長時間曝光，這意味著望遠鏡收集到的每一個光子都非常寶貴。一臺可靠的低噪聲相機對于探測這些數(shù)量極少的光至關重要。

超導相機還可用于探測來自深空任務的光通信信號。事實上，美國國家航空航天局（NASA）目前正在通過深空光通信（DSOC）項目演示這種能力，這是首次演示來自行星際空間的自由空間光通信。

超導納米線單光子探測器還將在地球上的許多應用中發(fā)揮作用，例如在生物醫(yī)學成像方面的應用，探測以前無法探測到的細胞和分子發(fā)出的微弱信號，以完全非侵入性的方式研究人類的大腦。

審核編輯：彭菁