基于超导纳米线单光子探测器的40万像素相机，提供前所未有的宇宙视野

一台基于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的40万像素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，基于超导纳米线单光子探测器的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。

超导纳米线单光子探测器

虽然有很多其他的成像技术，但使用超导纳米线单光子探测器的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，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。超导纳米线单光子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。

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

不过，虽然超导纳米线单光子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箱中保持低温，因此只能用少量的导线将信号从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阵列的检测。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。

研究小组采用了这种读出架构后，他们发现立即就可以构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40万像素的超导相机，但他们还即将展示一款像素超过100万的超导相机。”

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

研究人员认为，他们的超导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。一台可靠的低噪声相机对于探测这些数量极少的光至关重要。

超导相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。

超导纳米线单光子探测器还将在地球上的许多应用中发挥作用，例如在生物医学成像方面的应用，探测以前无法探测到的细胞和分子发出的微弱信号，以完全非侵入性的方式研究人类的大脑。