新型超导纳米线单光子探测器拥有400,000万像素 – 物理世界

美国研究人员声称超导纳米线单光子探测器（SNSPD）相机具有迄今为止最高分辨率。该相机由美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和 NASA 喷气推进实验室的团队设计，其像素数比其他最先进的设计高出约 400 倍，同时又不牺牲其任何优势。

二十年前首次展示的 SNSPD 改变了我们在极低光照水平下捕捉图像的能力。它们具有冷却至略高于绝对零的相交纳米线方形网格阵列。每根导线所承载的电流略低于超导性被破坏的临界电流。

当纳米线被单个光子撞击时，它吸收的热量将暂时关闭超导性，直到能量消散。这导致电流被分流到位于垂直纳米线之间最近交叉点处的小型电阻加热元件，每个元件都连接到自己单独的读出线。来自这些读数的信号充当单独的像素，指示每个光子的检测位置。

“SNSPD 具有一些非常吸引人的特征，”团队负责人解释道 巴赫罗姆·奥里波夫 在美国国家标准技术研究所。 “它们适用于高达 29 毫米的任何[光子]波长（不适用于许多其他硅技术），并已证明在 98 纳米处的检测效率为 1550%。它们的光子到达时间（定时抖动）的不确定性也非常低，并且误检率（暗计数）也极低。”

分辨率限制

尽管有这些优点，但每个像素都需要独立的读出线，这使得扩大 SNSPD 以创建更大的探测器变得困难。到目前为止，这意味着即使是最高分辨率的设备也只有 1000 多一点的像素。

奥里波夫的团队采用了不同的探测器设计方法，这使得他们能够使用与每行和每列中的纳米线平行排列的读出线来探测光子。

“我们不是使用探测器直接读出电信号，而是首先将该电信号转换为读出线中的热量（由电阻加热元件产生），并用它来触发读出线中反向传播的电脉冲，”Oripov 解释道。

通过比较这些脉冲在读出线两端的到达时间，相机可以精确地确定光子沿纳米线被吸收的位置。这样，在一行中检测到的光子吸收位点与垂直列中检测到的光子吸收位点相交的点处生成像素。

更少的读出线

与之前的设计相比——总共 N² 需要读出线来监视 N×N 纳米线阵列 - 这种新设计只需 2N 读出线即可构建单光子图像。

正如奥里波夫所描述的，这一改进将使团队更容易提高设计的分辨率。 “我们证明，我们确实可以扩展到大量像素，而不牺牲其他属性，例如单光子灵敏度、读出抖动和暗计数，”他说。

新型光子探测器加速量子密钥分发

他们的设备实现了 400,000 像素——比现有最先进设计高出约 400 倍。但随着进一步的改进，他们有信心这个数字可以增加。如果实现的话，这将为新一代大规模 SNSPD 铺平道路，适用于跨电磁频谱的单光子成像。

奥里波夫已经设想了新技术的多种可能性：从用于研究暗物质和绘制早期宇宙的改进天文学技术，到量子通信和医学成像的新机遇。

“这个结果似乎引起了一些天体物理学家和生物医学成像人员的注意，他们都对合作和制造更好的成像工具感兴趣，”他说。 “对于我们的团队和 SNSPD 研究领域的同事来说，这无疑是一个激动人心的时刻。”

新探测器的描述见 自然.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/