一台擁有40 萬像素的新型超導相機為天文學和量子技術應用提供了前所未有的低雜訊、高解析度成像能力。在探索遙遠恆星和系外行星等微弱天體的過程中，捕捉每個光子對於最大限度地提高任務的科學成果至關重要。用於此任務的相機需要在極低的噪音水平下工作，並能探測到最小數量的光–單光子。

一直以來，超導照相機雖然能滿足低雜訊和高靈敏度的要求，但受限於其體積小，通常不超過數千個像素，這限制了其捕捉高解析度影像的能力。然而，一個研究小組最近的一項突破打破了這一障礙，製造了一台擁有40 萬像素的超導相機。這項進步使我們能夠探測從紫外線到紅外線波長的寬光譜微弱天文訊號。

基於超導奈米線單光子偵測器的40 萬像素超導相機。資料來源：Adam McCaughan/NIST

雖然有許多其他的相機技術，但使用超導偵測器的相機因其極低的工作雜訊而非常適合在天文任務中使用。在對微弱光源成像時，相機必須如實報告接收到的光量，而不能扭曲接收到的光量或註入自己的錯誤訊號。超導探測器由於其低溫運作和獨特的成分，完全可以勝任這項任務。正如專案負責人亞當-麥考恩博士所描述的，”有了這些探測器，你可以整天採集數據，捕捉數十億個光子，而其中只有不到十個光子是噪聲造成的”。

NIST 團隊成員Bakhrom Oripov（左）和Ryan Morgenstern（右）將超導相機安裝到專用低溫平台。資料來源：Adam McCaughan/NIST

不過，雖然超導探測器在天文應用方面大有可為，但由於相機尺寸小，像素相對較少，它們在該領域的應用一直受到阻礙。由於這些探測器的靈敏度非常高，因此很難在小範圍內安裝大量的探測器而不相互幹擾。此外，由於這些偵測器需要在低溫冰箱中保持低溫，因此只能用少量的導線將訊號從相機傳送到溫度較高的讀出電子裝置。

為了克服這些限制，美國國家標準與技術研究院（NIST）、美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（JPL）和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員將時域多路復用技術應用於二維超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）陣列的偵測。單一SNSPD 奈米線排列成相交的行和列。當光子到達時，測量觸發行探測器和列探測器所需的時間，以確定是哪個像素發出的訊號。透過這種方法，相機只需在幾根讀出導線上對許多行和列進行有效編碼，而無需數千根導線。

這幅動畫描述了新開發的讀出系統，該系統使研究人員有可能製造出一台40 萬像素的單線超導照相機，這是同類照相機中分辨率最高的照相機。資料來源：S. Kelley/NIST

SNSPD 是眾多此類超導偵測器技術中的一種，包括微波動感偵測器(MKID)、過渡邊感測器(TES) 和量子電容偵測器(QCD)。 SNSPD 的獨特之處在於其工作溫度遠高於其他技術所需的毫開爾文溫度，並且具有極高的時間分辨率，但無法分辨單個光子的顏色。近二十年來，NIST、JPL 和其他機構一直在合作研究SNSPD，而最近的工作之所以能夠完成，完全得益於更廣泛的超導探測器領域所取得的進展。

研究團隊採用了這種讀出架構後，他們發現立即可以建造像素數量極多的超導相機。正如技術領導者巴赫羅姆-奧里波夫博士所描述的那樣：”這裡最大的進步在於探測器是真正獨立的，因此如果你想要像素更高的相機，只需在晶片上增加更多的探測器即可。

JPL 小組成員與兩個低溫冷卻器原型，它們將用於測試遠紫外線波長的超導相機。由左至右依序為：Emanuel Knehr、Boris Korzh、Jason Allmaras 和Andrew Beyer。資料來源：Boris Korzh/NASA JPL

研究人員認為，他們的相機最令人興奮的用途之一是在太陽系外尋找類地行星。為了成功偵測到這些行星，未來的太空望遠鏡將觀測到遙遠的恆星，尋找來自軌道行星的微小反射光或發射光。探測和分析這些訊號極具挑戰性，需要長時間曝光，這意味著望遠鏡收集到的每個光子都非常寶貴。一台可靠的低雜訊照相機對於偵測這些數量極少的光線至關重要。

SNSPD 攝影機也可用於偵測來自深空任務的光通訊訊號。事實上，美國國家航空暨太空總署（NASA）目前正在透過深空光通訊（DSOC）計畫來展示這種能力，這是首次展示來自行星際空間的自由空間光通訊。 DSOC 正在從一個名為”Psyche”的太空船（已於10 月13 日發射升空，正在前往Psyche 小行星的途中）向位於帕洛瑪天文台的一個基於SNSPD 的地面終端發送資料。光學鏈路的資料傳輸速率遠高於星際間的射頻鏈路。為接收Psyche 資料的地面站開發的照相機具有出色的定時分辨率，可以對來自太空船的光學資料進行解碼，從而在一定時間內接收到比使用無線電訊號多得多的資料。

這些感測器也將在地球上的許多應用中發揮作用。由於這種相機的工作波長非常靈活，因此可以優化其在生物醫學成像方面的應用，以探測以前無法探測到的細胞和分子發出的微弱信號。麥考恩博士指出：「我們非常希望神經科學家能夠使用這種相機。這項技術可以為他們提供一種新的工具，以完全非侵入性的方式研究我們的大腦」。

最後，迅速發展的量子技術領域也將從這項令人興奮的技術中獲益，它有望改變我們確保通訊和交易安全的方式，以及我們模擬和優化複雜過程的方式。一個光子可用於傳輸或計算一個位元的量子資訊。目前，許多公司和政府都在努力擴大量子電腦和通訊鏈路的規模，而獲得如此易於擴展的單光子照相機可以克服釋放量子技術全部潛力的主要障礙之一。

據研究小組稱，下一步將是利用這一初步演示，並對其進行優化，使其適用於太空應用。共同專案負責人鮑里斯-科爾日（Boris Korzh）博士說：”現在，我們已經進行了概念驗證演示，但我們還需要對其進行優化，以充分展示其潛力。研究團隊目前正在計劃進行超高效率照相機演示，以驗證這項新技術在紫外線和紅外線方面的實用性。

編譯來源：ScitechDaily