能够检测可见光中单个光子的传感器对于从暗淡的遥远星系成像到量子计算和DNA测序等应用都变得至关重要。近日，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）的研究人员现在已经设计出一种更简单且可能更精确的系统，用于读取大量最灵敏的单光子探测器的测量结果。
这些被称为过渡边缘传感器（Transition Edge Sensors, TES）的高灵敏度探测器由NIST开发和完善，它们由一层超薄的金属膜组成，其温度保持在超导（零电阻状态）和正常电阻之间的临界状态下。当辐射击中单个TES探测器时，它会使其提高温度并增加TES的电阻，这表现为电流的变化。单个光子携带的能量越多，产生的信号就越大。
感应电流的变化其实非常小，必须通过特殊的识别系统进行放大。通常，研究人员使用超导量子干涉装置（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID），它将TES中的微小电流变化转换为被放大的磁信号。
尽管大量SQUIDs已被用于识别无线电波和X射线波长产生的数百到数千个像素的光子在TES中所产生的感应电流，但它们的运行速度太慢，无法从多个检测可见光光子的TES设备中收集数据。此外，SQUIDs相对笨重，很难部署在需要数千个紧密排列的TES设备的新应用系统中使用。
为了克服这些缺点，NIST和科罗拉多大学博尔德分校的Paul Szypryt和他的同事用另一种称为动态感应电流传感器（Kinetic Inductance Current Sensor, KICS）的识别系统取代了SQUIDs。每个KICS都由一个超导体构成，该超导体在特定频率下自然共振。当来自TES的电流脉冲通过电路时，KICS会改变其共振频率。重要的是，这些频率变化足够快，以至于每个KICS阵列都可以同时读取来自数千个可见光TES传感器的信号。
KICS的另一个优势是：它大大减少了电子噪声的一个主要来源。为了最大限度地提高KICS电路的灵敏度，必须向该设备施加直流电，或称为偏置电流。但如果持续提供该电流，它可能会产生一个虚假的电子信号。而KICS是超导体构成的，它可以在这种无电阻电路中捕获并永久保留偏置电流。因此，信号捕获的过程中只需对KICS施加一次直流电，从而有效减少了虚假信号，使KICS系统能够非常准确地读取TES电流。
Paul Szypryt和他的同事，以及来自意大利米兰比可卡大学的科学家们，于11月6日在《Communications Engineering》期刊上发布了他们的研究成果。（DOI:10.1038/s44172-024-00308-y）
