NIST研究人員構(gòu)建的40萬個(gè)超導(dǎo)納米線單光子相機(jī)，這是同類相機(jī)中分辨率最高的相機(jī)。經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，該相機(jī)將成為諸如對(duì)太陽系以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)量光以及使用近紅外光來觀察人類組織的生物醫(yī)學(xué)研究等低光工作的理想選擇。圖片來源：S. KELLEY/NIST

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）團(tuán)隊(duì)制造了一款包含40萬像素的超導(dǎo)相機(jī)，分辨率是其他同類設(shè)備的400倍?！蹲匀弧冯s志26日?qǐng)?bào)告了此項(xiàng)工作。

該相機(jī)由超細(xì)電線網(wǎng)格組成，冷卻至接近絕對(duì)零度，電流在其中毫無阻力地移動(dòng)，直到電線被光子擊中。在這款超導(dǎo)納米線相機(jī)中，即使是單個(gè)光子所傳遞的能量也可被檢測(cè)到，因?yàn)樗鼤?huì)關(guān)閉網(wǎng)格上特定位置（像素）的超導(dǎo)性。結(jié)合所有光子的所有位置和強(qiáng)度就形成了圖像。

超導(dǎo)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，而將每個(gè)像素單獨(dú)連接到冷卻系統(tǒng)幾乎是不可能的。NIST與美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、科羅拉多大學(xué)博爾德分校研究人員組成的團(tuán)隊(duì)克服了這一障礙，將來自許多像素的信號(hào)組合到幾條室溫讀出線上。

超導(dǎo)線材的一般特性是允許電流自由流動(dòng)直至達(dá)到某個(gè)最大“臨界”電流。為了利用這種行為，研究人員向傳感器施加了略低于最大值的電流。在這種情況下，即使單個(gè)光子撞擊一個(gè)像素，也會(huì)破壞超導(dǎo)性。電流不再能夠無阻力流過納米線，而是被分流到連接到每個(gè)像素的小型電阻加熱元件，分流電流產(chǎn)生可快速檢測(cè)的電信號(hào)。

團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建了具有交叉超導(dǎo)納米線陣列的相機(jī)，這些納米線形成多行和多列，這使團(tuán)隊(duì)能夠一次測(cè)量來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線的數(shù)量。

當(dāng)光子撞擊像素時(shí)，會(huì)形成一個(gè)微小的熱點(diǎn)。熱點(diǎn)反過來產(chǎn)生兩個(gè)電壓脈沖，電壓脈沖由兩端的檢測(cè)器記錄。脈沖到達(dá)末端檢測(cè)器所需的時(shí)間差，就揭示了像素所在的列。探測(cè)器可識(shí)別短至五十萬億分之一秒的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差異。采用新的讀出架構(gòu)后，團(tuán)隊(duì)在增加像素?cái)?shù)量方面取得了快速進(jìn)展。幾周之內(nèi)，像素?cái)?shù)量從2萬躍升至40萬。

這一讀出技術(shù)可很容易地?cái)U(kuò)展到更大的相機(jī)，具有數(shù)千萬或數(shù)億像素的超導(dǎo)單光子相機(jī)很快就會(huì)面世。

總編輯圈點(diǎn)

這不但是目前同類產(chǎn)品中分辨率最高的相機(jī)，還將是未來低光工作的最理想選擇之一。因?yàn)樵诮酉聛淼囊荒昀铮搱F(tuán)隊(duì)還會(huì)進(jìn)一步提高原型相機(jī)的靈敏度，以便它可捕獲每個(gè)傳入的光子。這樣優(yōu)化后，相機(jī)可以在基于光子的量子計(jì)算機(jī)中測(cè)量光，還可以為利用近紅外光觀察人體組織的生物醫(yī)學(xué)研究作貢獻(xiàn)，甚至，它能成功對(duì)太陽系之外的微弱星系或行星進(jìn)行成像。