擁有更多的像素可以推動從生物醫學成像到天文觀測等各個方面的發展。美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員和他們的同事已經製造了一台超導照相機，它擁有40 萬個像素，是其他同類設備的400 倍。

經過計畫中的改進，NIST 的新型400000 像素單線超導相機（同類相機中解析度最高的相機）將有能力在極低光照條件下捕捉天文影像。圖片來源：圖片元素來自Pixabay 和S. Kelley/NIST。

超導照相機可以讓科學家捕捉到非常微弱的光訊號，無論是來自太空中遙遠物體的訊號，還是來自人類大腦部分區域的訊號。擁有更多的像素可以為科學和生物醫學研究開闢許多新的應用領域。

NIST 相機是由冷卻到接近絕對零度的超細電線網格組成的，在電線被光子擊中之前，電流在其中移動沒有任何阻力。在這些超導奈米線照相機中，即使是一個光子傳遞的能量也能被偵測到，因為它會關閉網格上特定位置（像素）的超導性。將所有光子的位置和強度組合起來，就形成了一個影像。

這個動畫描述了一個特殊的讀取系統，它使NIST 研究人員能夠製造出一台40 萬超導奈米線單光子照相機，這是同類照相機中分辨率最高的。經過進一步改進後，相機將非常適合低照度工作，例如成像太陽系外的微弱星系或行星、測量基於光子的量子電腦中的光，以及利用近紅外線窺視人體組織的生物醫學研究。資料來源：S. Kelley/NIST

第一台能夠偵測單光子的超導相機是在二十多年前發展出成功的。從那時起，這些設備所包含的像素都不超過數千個，對於大多數應用來說都過於有限。

製造像素數量更多的超導照相機是一項嚴峻的挑戰，因為要將數千個冷凍像素中的每個像素都連接到自己的讀出線上幾乎是不可能的。這項挑戰源自於相機的每個超導元件都必須冷卻到超低溫才能正常運作，而將數百萬像素中的每個像素單獨連接到冷卻系統幾乎是不可能的。

NIST 研究人員亞當-麥考恩（Adam McCaughan）和巴赫羅姆-奧里波夫（Bakhrom Oripov）以及他們在美國宇航局位於加利福尼亞州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室（JPL）和科羅拉多大學博爾德分校的合作者克服了這一障礙，將許多像素的訊號合併到幾根室溫讀出導線上。

任何超導線纜都有一個普遍特性，即允許電流自由流動到一定的最大”臨界”電流。為了利用這一特性，研究人員在感測器上施加了略低於最大值的電流。在這種情況下，即使只有一個光子擊中一個像素，也會破壞超導性。電流不再能夠無阻力地流過奈米線，而是被分流到與每個像素相連的小型電阻加熱元件上。分流電流產生的電訊號可迅速偵測。

借鑒現有技術，NIST 團隊建造的照相機擁有交叉的超導奈米線陣列，形成多行多列，就像井字遊戲中的行列一樣。每個像素以單根垂直和水平奈米線交叉點為中心的微小區域–由其所在的行和列唯一定義。

這種安排使研究小組能夠一次測量來自整行或整列像素的訊號，而不是記錄來自每個像素的數據，從而大大減少了讀出線的數量。為此，研究人員將一條超導讀出線與像素行平行但不接觸，將另一根讀出線與像素列平行但不接觸。

只考慮與行列平行的超導讀出線。當一個光子擊中一個像素時，分流到電阻加熱元件的電流會加熱讀取線的一小部分，形成一個微小的熱點。熱點又會產生兩個電壓脈衝，沿著讀出線以相反的方向移動，由兩端的偵測器記錄下來。脈衝到達兩端探測器的時間差揭示了像素所在的柱。與柱狀平行的第二條超導讀出線也具有類似的功能。

探測器可以分辨出短至50 兆分之一秒的訊號到達時間差異。它們還能對每秒撞擊網格的10 萬個光子進行計數。

團隊採用新的讀取架構後，奧里波夫在增加像素數量方面取得了快速進展。幾週內，像素數就從20000 個躍升至400000 個。麥考恩說，這種讀出技術可以輕鬆擴展到更大的相機，擁有數千萬或數億像素的超導單光子照相機很快就能問世。

在接下來的一年裡，該團隊計劃提高原型相機的靈敏度，使其能夠捕捉到幾乎每一個進入的光子。這將使該相機能夠應對低照度工作，例如成像太陽系外的微弱星系或行星、測量基於光子的量子電腦中的光，以及為利用近紅外線窺視人體組織的生物醫學研究做出貢獻。

研究人員在10月26日出版的《自然》雜誌上報告了他們的研究成果。