一台拥有 40 万像素的新型超导相机为天文学和量子技术应用提供了前所未有的低噪声、高分辨率成像能力。在探索遥远恒星和系外行星等微弱天体的过程中，捕捉每一个光子对于最大限度地提高任务的科学成果至关重要。用于这一任务的相机需要在极低的噪声水平下工作，并能探测到最小数量的光--单光子。
一直以来，超导照相机虽然能满足低噪声和高灵敏度的要求，但受限于其体积小，通常不超过几千个像素，这限制了其捕捉高分辨率图像的能力。然而，一个研究小组最近的一项突破打破了这一障碍，制造出了一台拥有 40 万像素的超导照相机。这一进步使我们能够探测从紫外线到红外线波长的宽光谱微弱天文信号。
基于超导纳米线单光子探测器的 40 万像素超导相机。资料来源：Adam McCaughan/NIST
虽然有很多其他的照相机技术，但使用超导探测器的照相机因其极低的工作噪声而非常适合在天文任务中使用。在对微弱光源成像时，照相机必须如实报告接收到的光量，而不能歪曲接收到的光量或注入自己的错误信号。超导探测器由于其低温运行和独特的成分，完全可以胜任这一任务。正如项目负责人亚当-麦考恩博士所描述的，"有了这些探测器，你可以整天采集数据，捕捉数十亿个光子，而其中只有不到十个光子是噪声造成的"。
NIST 团队成员 Bakhrom Oripov（左）和 Ryan Morgenstern（右）将超导相机安装到专用低温平台上。资料来源：Adam McCaughan/NIST
不过，虽然超导探测器在天文应用方面大有可为，但由于相机尺寸小，像素相对较少，它们在该领域的应用一直受到阻碍。由于这些探测器的灵敏度非常高，因此很难在小范围内安装大量的探测器而不相互干扰。此外，由于这些探测器需要在低温冰箱中保持低温，因此只能用少量的导线将信号从照相机传送到温度较高的读出电子装置。
为了克服这些限制，美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员将时域多路复用技术应用于二维超导纳米线单光子探测器（SNSPD）阵列的检测。单个 SNSPD 纳米线排列成相交的行和列。当光子到达时，测量触发行探测器和列探测器所需的时间，以确定是哪个像素发出的信号。通过这种方法，相机只需在几根读出导线上对许多行和列进行有效编码，而无需数千根导线。
这幅动画描述了新开发的读出系统，该系统使研究人员有可能制造出一台 40 万像素的单线超导照相机，这是同类照相机中分辨率最高的照相机。资料来源：S. Kelley/NIST
SNSPD 是众多此类超导探测器技术中的一种，包括微波动感探测器 (MKID)、过渡边传感器 (TES) 和量子电容探测器 (QCD)。SNSPD 的独特之处在于其工作温度远高于其他技术所需的毫开尔文温度，并且具有极高的时间分辨率，但无法分辨单个光子的颜色。近二十年来，NIST、JPL 和其他机构一直在合作研究 SNSPD，而最近的这项工作之所以能够完成，完全得益于更广泛的超导探测器领域所取得的进步。
研究小组采用了这种读出架构后，他们发现立即就可以建造像素数量极多的超导相机。正如技术带头人巴赫罗姆-奥里波夫博士所描述的那样："这里最大的进步在于探测器是真正独立的，因此如果你想要像素更高的相机，只需在芯片上增加更多的探测器即可。研究人员指出，虽然他们最近的项目是一个 40 万像素的设备，但他们还即将展示一个像素超过 100 万的设备，目前还没有找到上限。"
JPL 小组成员与两个低温冷却器原型，它们将用于测试远紫外波长的超导照相机。从左到右依次为：Emanuel Knehr、Boris Korzh、Jason Allmaras 和 Andrew Beyer。资料来源：Boris Korzh/NASA JPL
研究人员认为，他们的相机最令人兴奋的用途之一是在太阳系外寻找类地行星。为了成功探测到这些行星，未来的太空望远镜将观测遥远的恒星，寻找来自轨道行星的微小反射光或发射光。探测和分析这些信号极具挑战性，需要长时间曝光，这意味着望远镜收集到的每一个光子都非常宝贵。一台可靠的低噪声照相机对于探测这些数量极少的光至关重要。
SNSPD 摄像机还可用于探测来自深空任务的光通信信号。事实上，美国国家航空航天局（NASA）目前正在通过深空光通信（DSOC）项目演示这种能力，这是首次演示来自行星际空间的自由空间光通信。DSOC 正在从一个名为"Psyche"的航天器（已于 10 月 13 日发射升空，正在前往 Psyche 小行星的途中）向位于帕洛玛天文台的一个基于 SNSPD 的地面终端发送数据。光学链路的数据传输速率远远高于星际间的射频链路。为接收 Psyche 数据的地面站开发的照相机具有出色的定时分辨率，可以对来自航天器的光学数据进行解码，从而在一定时间内接收到比使用无线电信号多得多的数据。
这些传感器还将在地球上的许多应用中发挥作用。由于这种相机的工作波长非常灵活，因此可以优化其在生物医学成像方面的应用，以探测以前无法探测到的细胞和分子发出的微弱信号。麦考恩博士指出："我们非常希望神经科学家能够使用这种相机。这项技术可以为他们提供一种新的工具，以完全非侵入性的方式研究我们的大脑"。
最后，迅速发展的量子技术领域也将从这一令人兴奋的技术中获益，它有望改变我们确保通信和交易安全的方式，以及我们模拟和优化复杂过程的方式。一个光子可用于传输或计算一个比特的量子信息。目前，许多公司和政府都在努力扩大量子计算机和通信链路的规模，而获得如此易于扩展的单光子照相机可以克服释放量子技术全部潜力的主要障碍之一。
据研究小组称，下一步将是利用这一初步演示，并对其进行优化，使其适用于太空应用。共同项目负责人鲍里斯-科尔日（Boris Korzh）博士说："现在，我们已经进行了概念验证演示，但我们还需要对其进行优化，以充分展示其潜力。研究团队目前正在计划进行超高效率照相机演示，以验证这项新技术在紫外线和红外线方面的实用性。"
编译来源：ScitechDaily