最高分辨率单光子超导相机问世，可用于生物医学成像及天文观测等领域
最高分辨率单光子超导相机问世，可用于生物医学成像及天文观测等领域
NIST研究人员构建的40万个超导纳米线单光子相机，这是同类相机中分辨率最高的相机。经过进一步改进，该相机将成为诸如对太阳系以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使用近红外光来观察人类组织的生物医学研究等低光工作的理想选择。图片来源：S. KELLEY/NIST
科技日报记者 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。《自然》杂志26日报告了此项工作。
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。
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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