NIST研究人員構建的40萬個超導納米線單光子相機，這是同類相機中分辨率最高的相機。經過進一步改進，該相機將成為諸如對太陽系以外的微弱星系或行星進行成像、在基于光子的量子計算機中測量光以及使用近紅外光來觀察人類組織的生物醫學研究等低光工作的理想選擇。圖片來源：S. KELLEY/NIST

美國國家標準與技術研究所（NIST）團隊制造了一款包含40萬像素的超導相機，分辨率是其他同類設備的400倍。《自然》雜志26日報告了此項工作。

該相機由超細電線網格組成，冷卻至接近絕對零度，電流在其中毫無阻力地移動，直到電線被光子擊中。在這款超導納米線相機中，即使是單個光子所傳遞的能量也可被檢測到，因為它會關閉網格上特定位置（像素）的超導性。結合所有光子的所有位置和強度就形成了圖像。

超導相機的每個超導組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將每個像素單獨連接到冷卻系統幾乎是不可能的。NIST與美國國家航空航天局噴氣推進實驗室、科羅拉多大學博爾德分校研究人員組成的團隊克服了這一障礙，將來自許多像素的信號組合到幾條室溫讀出線上。

超導線材的一般特性是允許電流自由流動直至達到某個最大“臨界”電流。為了利用這種行為，研究人員向傳感器施加了略低于最大值的電流。在這種情況下，即使單個光子撞擊一個像素，也會破壞超導性。電流不再能夠無阻力流過納米線，而是被分流到連接到每個像素的小型電阻加熱元件，分流電流產生可快速檢測的電信號。

團隊此次構建了具有交叉超導納米線陣列的相機，這些納米線形成多行和多列，這使團隊能夠一次測量來自整行或整列像素的信號，而不是記錄每個單獨像素的數據，從而大大減少了讀出線的數量。

當光子撞擊像素時，會形成一個微小的熱點。熱點反過來產生兩個電壓脈沖，電壓脈沖由兩端的檢測器記錄。脈沖到達末端檢測器所需的時間差，就揭示了像素所在的列。探測器可識別短至五十萬億分之一秒的信號到達時間差異。采用新的讀出架構后，團隊在增加像素數量方面取得了快速進展。幾周之內，像素數量從2萬躍升至40萬。

這一讀出技術可很容易地擴展到更大的相機，具有數千萬或數億像素的超導單光子相機很快就會面世。

總編輯圈點

這不但是目前同類產品中分辨率最高的相機，還將是未來低光工作的最理想選擇之一。因為在接下來的一年里，該團隊還會進一步提高原型相機的靈敏度，以便它可捕獲每個傳入的光子。這樣優化后，相機可以在基于光子的量子計算機中測量光，還可以為利用近紅外光觀察人體組織的生物醫學研究作貢獻，甚至，它能成功對太陽系之外的微弱星系或行星進行成像。