基于超導(dǎo)納米線單光子探測器的40萬像素相機(jī)提供前所未有的宇宙視野

一臺基于超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的40萬像素相機(jī)為天文學(xué)和量子技術(shù)應(yīng)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(yuǎn)恒星和系外行星等微弱天體的過程中，捕捉每一個(gè)光子對于最大限度地提高任務(wù)的科學(xué)成果至關(guān)重要。用于這一任務(wù)的相機(jī)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(dǎo)納米線單光子探測器的相機(jī)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(gè)像素，這限制了其捕捉高分辨率圖像的能力。然而，一個(gè)研究小組最近的一項(xiàng)突破打破了這一障礙，制造出了一臺擁有40萬像素的超導(dǎo)相機(jī)。這一進(jìn)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(dǎo)納米線單光子探測器

雖然有很多其他的成像技術(shù)，但使用超導(dǎo)納米線單光子探測器的相機(jī)因其極低的工作噪聲而非常適合在天文任務(wù)中使用。在對微弱光源成像時(shí)，相機(jī)必須如實(shí)報(bào)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(cuò)誤信號。超導(dǎo)納米線單光子探測器由于其低溫運(yùn)行和獨(dú)特的成分，完全可以勝任這一任務(wù)。

不過，雖然超導(dǎo)納米線單光子探測器在天文應(yīng)用方面大有可為，但由于相機(jī)尺寸小，像素相對較少，它們在該領(lǐng)域的應(yīng)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(nèi)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(dǎo)線將信號從相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員將時(shí)域多路復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于二維超導(dǎo)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(dāng)光子到達(dá)時(shí)，測量觸發(fā)行探測器和列探測器所需的時(shí)間，以確定是哪個(gè)像素發(fā)出的信號。通過這種方法，相機(jī)只需在幾根讀出導(dǎo)線上對許多行和列進(jìn)行有效編碼，而無需數(shù)千根導(dǎo)線。

40萬像素超導(dǎo)相機(jī)原理

研究小組采用了這種讀出架構(gòu)后，他們發(fā)現(xiàn)立即就可以構(gòu)造像素?cái)?shù)量極多的超導(dǎo)相機(jī)。正如技術(shù)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(jìn)步在于探測器是真正獨(dú)立的，因此如果你想要像素更高的相機(jī)，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(xiàng)目是一個(gè)40萬像素的超導(dǎo)相機(jī)，但他們還即將展示一款像素超過100萬的超導(dǎo)相機(jī)。"

JPL小組成員與兩個(gè)低溫冷卻器原型，它們將用于測試遠(yuǎn)紫外波長的超導(dǎo)照相機(jī)

研究人員認(rèn)為，他們的超導(dǎo)相機(jī)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(yuǎn)鏡將觀測遙遠(yuǎn)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(shí)間曝光，這意味著望遠(yuǎn)鏡收集到的每一個(gè)光子都非常寶貴。一臺可靠的低噪聲相機(jī)對于探測這些數(shù)量極少的光至關(guān)重要。

超導(dǎo)相機(jī)還可用于探測來自深空任務(wù)的光通信信號。事實(shí)上，美國國家航空航天局（NASA）目前正在通過深空光通信（DSOC）項(xiàng)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(dǎo)納米線單光子探測器還將在地球上的許多應(yīng)用中發(fā)揮作用，例如在生物醫(yī)學(xué)成像方面的應(yīng)用，探測以前無法探測到的細(xì)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