最高分辨率单光子超导相机问世，在医学领域能干啥？

最近美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员与他们的同事们建造了一个包含40万像素的超导相机。

　　超导相机是一种用于捕捉非常微弱光信号的高度敏感的相机，它利用超导技术来实现超低温下电流的无阻力传导。这种相机可以检测到单个光子的能量，因为当光子击中相机的像素时，它会破坏超导性，导致电流不再能够无阻力地通过相机中的纳米线流动。

　　超导相机的主要优点是其极高的灵敏度，能够捕捉非常微弱的光信号，这在科学研究和生物医学研究中具有广泛的应用。例如，它可以用于观测远处的宇宙物体，拍摄微弱的星系或行星，以及在量子计算机中测量光子。此外，它还可以在生物医学研究中使用，以通过近红外光窥视人体组织，从而有助于医学成像和生物医学诊断等应用领域。超导相机的发展和改进为科学研究和技术应用提供了强大的工具。NIST研究人员在2023年10月26日的《自然》杂志上报告了他们的工作。

　　NIST的相机由超薄电线网格组成，这些电线被冷却到接近绝对零度的温度，以确保超导性能。电流在没有电阻的情况下流动，直到电流受到光子的击中导致超导性破裂，此时电流被重定向到一个小的电阻性加热元件。这个加热元件会生成电信号，它可以迅速被检测，从而允许相机捕捉光信号。在这些超导纳米线相机中，即使是单个光子传递的能量也可以被检测到，因为它会关闭网格上特定位置（像素）的超导性。结合所有光子的位置和强度，就形成了一幅图像。

　　能够检测单个光子的第一台超导相机已经开发了20多年。从那时起，这些设备的像素数量一直不超过几千个，对于大多数应用来说太有限了。

　　创建一个像素数量更多的超导相机是一个严峻的挑战，因为将成千上万个冷却的像素连接到它们自己的读取线几乎是不可能的。这个挑战源于相机的每个超导部件都必须冷却到超低温度才能正常工作，而单独连接数百万像素到冷却系统几乎是不可能的。

　　NIST的研究人员亚当·麦考恩和巴克罗姆·奥里波夫以及他们在美国宇航局喷气推进实验室（位于加利福尼亚帕萨迪纳）和科罗拉多大学博尔德分校的合作者通过将许多像素的信号合并到少数室温读出线上克服了这一障碍。

　　任何超导电线的一般性质是它允许电流自由流动，直到达到某个最大的“临界”电流。为了利用这种行为，研究人员将电流施加在传感器上，使其略低于最大值。在这种条件下，即使是单个光子击中一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够在纳米线中无阻力地流动，而是被导向与每个像素相连的小电阻加热元件。这种导向的电流会产生一个可以快速检测的电信号。

　　NIST团队采用了现有技术，构建了具有相交的超导纳米线阵列的相机，形成多行和多列，就像井字游戏中的那些。每个像素——一个小区域，位于单独的垂直和水平纳米线交叉的点上——由它所在的行和列唯一定义。

　　这种排列使团队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的像素的数据，从而大大减少了读出线的数量。为此，研究人员在不触碰像素行的情况下将一个超导读出线平行放置，另一个超导读出线平行放置但不触碰列。

　　考虑一下平行于行的超导读出线。当光子击中像素时，导入电阻性加热元件的电流会加热读出线的一小部分，形成一个微小的热点。这个热点会生成沿着读出线相反方向传播的两个电压脉冲，这些脉冲由两端的探测器记录。脉冲到达终端探测器所需的时间差揭示了像素所在的列。平行于列的第二个超导读出线具有类似的功能。

　　探测器可以分辨信号到达时间的差异，短至50万亿分之一秒。它们还可以记录每秒击中网格的多达10万个光子。

　　团队计划在接下来的一年中提高原型相机的灵敏度，以便它可以捕捉几乎每个进入的光子。这将使相机能够处理低光情况下的任务，如成像微弱的星系或位于太阳系之外的行星，测量基于光子的量子计算机中的光，以及为生物医学研究做出贡献，使用近红外光来窥视人体组织。