10月26日，美国国家标准与技术研究院（NIST）在学术期刊《自然》上发表成果，制造出一款40万像素的超导纳米线单光子相机，分辨率是其他同类设备的400倍，有望用于天文观测、量子计算、生物医学成像等领域[1]。
NIST制造的超导纳米线单光子相机由超细纳米线网格组成，冷却至接近绝对零度，其中电子毫无阻力地移动（即超导特性），直到纳米线被光子击中后产生电阻变化。在超导纳米线单光子相机中，即使是单个光子所传递的能量也可以被检测到，因为它会“消除”纳米线网格上特定像素的超导特性，然后结合所有光子的所有位置和强度形成图像[2]。
过去50多年来，尽管超导相机在探测微弱电磁信号方面具有出色的灵敏度和速度，但在此之前还没有大阵列像素超导相机问世，原型演示也从未超过2万像素，超导单光子相机更是如此。第一个能够探测单光子的超导相机是在20多年前开发出来的[3]。从那时起，此类相机包含的像素不超过几千个，对于大多数应用来说极其有限。
构建具有大阵列像素的超导纳米线单光子相机极具挑战性，根本原因在于相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数十万（甚至数百万）像素阵列中的每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的[4]。
NIST研究人员和美国科罗拉多大学博尔德分校、国家航空航天局喷气推进实验室合作克服了这一障碍，将来自许多像素的信号组合到几条室温读出电路线上。
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。
借鉴现有技术，NIST研究团队还构建了具有交叉超导纳米线阵列的相机，形成多行和多列纳米线从而实现大规模的多路复用，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。每个像素——以单独的垂直和水平纳米线交叉点为中心的微小区域——由其所在的行和列唯一地定义。
该相机阵列由800个列探测器和500个行探测器组成，工作温度为0.8 K，阵列面积为4毫米×2.5毫米，分辨率为5微米×5微米，在370 nm和635 nm波长下达到了单位量子效率100%，计数速率为1.1×105次/秒，每个探测器的暗计数率为1.0×10-4次/秒（整个阵列对应0.13次/秒），可以识别短至50万亿分之一秒的信号到达时间差异。
NIST研究团队计划未来一年提高原型超导单光子相机的灵敏度，以便它可以捕获几乎所有入射的光子。这将使超导单光子相机能够解决诸如对太阳系之外的微弱星系或行星进行成像、测量光量子计算机中的光子以及生物医学近红外成像等低光工作场景任务。
NIST研究人员还表示，研发的室温读出电路技术可以很容易扩展到更大相机，具有数千万或数亿像素的超导单光子相机或将很快面世。
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06550-2
[2] https://www.cas.cn/kj/202310/t20231027_4982782.shtml?from=singlemessage
[3] https://www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231025162952.htm
[4] http://www.opticsjournal.net/News/PT231030000106eAgDj.html
