最高分辨率單光子超導相機問世，在醫學領域能干啥？

最近美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員與他們的同事們建造了一個包含40萬像素的超導相機。

　　超導相機是一種用于捕捉非常微弱光信號的高度敏感的相機，它利用超導技術來實現超低溫下電流的無阻力傳導。這種相機可以檢測到單個光子的能量，因為當光子擊中相機的像素時，它會破壞超導性，導致電流不再能夠無阻力地通過相機中的納米線流動。

　　超導相機的主要優點是其極高的靈敏度，能夠捕捉非常微弱的光信號，這在科學研究和生物醫學研究中具有廣泛的應用。例如，它可以用于觀測遠處的宇宙物體，拍攝微弱的星系或行星，以及在量子計算機中測量光子。此外，它還可以在生物醫學研究中使用，以通過近紅外光窺視人體組織，從而有助于醫學成像和生物醫學診斷等應用領域。超導相機的發展和改進為科學研究和技術應用提供了強大的工具。NIST研究人員在2023年10月26日的《自然》雜志上報告了他們的工作。

　　NIST的相機由超薄電線網格組成，這些電線被冷卻到接近絕對零度的溫度，以確保超導性能。電流在沒有電阻的情況下流動，直到電流受到光子的擊中導致超導性破裂，此時電流被重定向到一個小的電阻性加熱元件。這個加熱元件會生成電信號，它可以迅速被檢測，從而允許相機捕捉光信號。在這些超導納米線相機中，即使是單個光子傳遞的能量也可以被檢測到，因為它會關閉網格上特定位置（像素）的超導性。結合所有光子的位置和強度，就形成了一幅圖像。

　　能夠檢測單個光子的第一臺超導相機已經開發了20多年。從那時起，這些設備的像素數量一直不超過幾千個，對于大多數應用來說太有限了。

　　創建一個像素數量更多的超導相機是一個嚴峻的挑戰，因為將成千上萬個冷卻的像素連接到它們自己的讀取線幾乎是不可能的。這個挑戰源于相機的每個超導部件都必須冷卻到超低溫度才能正常工作，而單獨連接數百萬像素到冷卻系統幾乎是不可能的。

　　NIST的研究人員亞當·麥考恩和巴克羅姆·奧里波夫以及他們在美國宇航局噴氣推進實驗室（位于加利福尼亞帕薩迪納）和科羅拉多大學博爾德分校的合作者通過將許多像素的信號合并到少數室溫讀出線上克服了這一障礙。

　　任何超導電線的一般性質是它允許電流自由流動，直到達到某個最大的“臨界”電流。為了利用這種行為，研究人員將電流施加在傳感器上，使其略低于最大值。在這種條件下，即使是單個光子擊中一個像素，也會破壞超導性。電流不再能夠在納米線中無阻力地流動，而是被導向與每個像素相連的小電阻加熱元件。這種導向的電流會產生一個可以快速檢測的電信號。

　　NIST團隊采用了現有技術，構建了具有相交的超導納米線陣列的相機，形成多行和多列，就像井字游戲中的那些。每個像素——一個小區域，位于單獨的垂直和水平納米線交叉的點上——由它所在的行和列唯一定義。

　　這種排列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的像素的數據，從而大大減少了讀出線的數量。為此，研究人員在不觸碰像素行的情況下將一個超導讀出線平行放置，另一個超導讀出線平行放置但不觸碰列。

　　考慮一下平行于行的超導讀出線。當光子擊中像素時，導入電阻性加熱元件的電流會加熱讀出線的一小部分，形成一個微小的熱點。這個熱點會生成沿著讀出線相反方向傳播的兩個電壓脈沖，這些脈沖由兩端的探測器記錄。脈沖到達終端探測器所需的時間差揭示了像素所在的列。平行于列的第二個超導讀出線具有類似的功能。

　　探測器可以分辨信號到達時間的差異，短至50萬億分之一秒。它們還可以記錄每秒擊中網格的多達10萬個光子。

　　團隊計劃在接下來的一年中提高原型相機的靈敏度，以便它可以捕捉幾乎每個進入的光子。這將使相機能夠處理低光情況下的任務，如成像微弱的星系或位于太陽系之外的行星，測量基于光子的量子計算機中的光，以及為生物醫學研究做出貢獻，使用近紅外光來窺視人體組織。