光子是由电磁波组成的微小粒子。它是构成光的基本单位，但它没有质量，也不带电荷。微波、红外线和X射线都是由光子组成的。

莫斯科大学二十年前开发了捕获单个光子的技术。但技术障碍阻碍了它在研究实验室之外的广泛使用。

因此，超导探测器的读出架构必须经过精心调整，既要对探测到的微弱信号保持敏感，又要足够坚固，以免信号衰减。这一点对于超导纳米线单光子探测器尤为重要，因为它能产生离散的宽带输出脉冲，特别难以用实用的方式将其组合起来。

近日，由美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员Adam Mc Caughan和Bakhrom Oripov与美国宇航局加利福尼亚州喷气推进实验室和科罗拉多大学博尔德分校的科学家合作创建了一种新型超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。SNSPD的像素高达40万倍，比现有技术提高了400倍。该阵列的面积为4×2.5 mm，分辨率为5×5 μm，在波长为370 nm和635 nm时达到了统一量子效率，计数率为1.1×105 计数/秒(cps)，每个探测器的暗计数率为1.0×10-4 cps（相当于整个阵列的0.13 cps）。成像区不包含任何辅助电路，其结构的可扩展性远远超过了目前的演示，为在广泛的电磁波谱范围内实现接近统一探测效率的大尺寸超导照相机铺平了道路。这种高精度相机可用于量子计算、通信和太空探索。相关研究成果以题为“A superconducting nanowire single-photon camera with 400,000 pixels”发表在《Nature》期刊上。

【解决方案】

为了以远远超出当前可扩展性的方式从超导探测器收集信号，研究人员使用了转换——将探测器输出的电能转换为热能。通过这种热耦合，他们成功建立了单向通信通道，其中来自单个探测器的光子探测信号可以传递到通用读出线，同时保持探测器的信号与其邻居的信号高度隔离。

该阵列如图1所示，由800个列探测器和500个行探测器组成，工作温度为0.8 K。行探测器和列探测器是由两片独立的4 nm厚WSi薄膜制成的1.1 μm宽导线图案化而成的，其Tc为3.4 K，动电感为每平方250 pH。如图1c所示，行列探测器之间的间距为5 μm，呈网格状排列，分辨率为5×5 μm。有四条总线用于读出，共需要八条微波同轴线，行和列探测器在它们之间交错排列。每个行或列探测器都与一个电阻式热耦合器相连，该热耦合器包含一个小型加热器，通过一个薄薄的电绝缘介质隔离器与读出总线热耦合（但在电气上与读出总线隔离）。读出总线与列检测器由同一层材料制成，因此具有相同的基本属性。

图 1. 800 × 500相机概览

详细而言，该相机由冷却到接近绝对零度的超细电线网格组成，在电线被光子击中之前，电流可以无阻力地流动。这些超导纳米线照相机可以检测到单个光子提供的能量，因为光子会关闭网格上特定点（像素）的超导。将所有光子的位置和强度组合起来就形成了图像。

图 2. 探测器和读出总线的电气操作

制造具有更多像素的超导相机提出了严峻的挑战，因为几乎不可能将数千个冷冻像素连接到自己的读出线。挑战源于这样一个事实：相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数十万个像素中的每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。

本文出色的设计策略是将来自许多像素的信号组合到几条室温读出线上。

任何超导线材的一般特性是它允许电流自由流动直至达到某个最大“临界”电流。为了利用这种行为，研究人员向传感器施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，即使单个光子撞击一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够无阻力地流过纳米线，而是被分流到连接到每个像素的小型电阻加热元件。分流电流产生可快速检测的电信号。

研究人员借鉴现有技术，构建了具有交叉超导纳米线阵列的相机，这些超导纳米线阵列形成多行和多列，就像井字游戏中的那样。每个像素——以单独的垂直和水平纳米线交叉点为中心的微小区域——由它所在的行和列唯一地定义。

图 3. 使用高斯点泛光照明解析所有像素

这种安排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像素的数据，从而大大减少了读出线的数量。为此，研究人员将一根超导读出线与像素行平行但不接触，将另一根导线与列平行但不接触。

仅考虑与行平行的超导读出线。当光子撞击像素时，分流到电阻加热元件的电流会加热读出线的一小部分，从而形成一个微小的热点。热点反过来产生两个沿着读出线以相反方向行进的电压脉冲，由两端的检测器记录。脉冲到达末端检测器所需的时间差揭示了像素所在的列。与列平行的第二条超导读出线具有类似的功能。

探测器可以识别短至 50 万亿分之一秒的信号到达时间差异。他们还可以每秒计算多达 100000 个光子撞击网格。利用这种新的读出架构，研究人员在增加像素数量方面取得了快速进展。几周之内，像素数量从 20000 跃升至 400000。研究人员表示：读出技术可以很容易地扩展到更大的相机，并且具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就会面世。

图 4. 相机的时序特性

【总结】

本文展示了迄今为止最大的超导光子计数照相机，其性能提高了20倍，采用的是高效的时间分辨架构，既可扩展，又能容忍制造缺陷。这种结构允许成像区域只包含探测器，使未来的阵列能够达到接近统一的系统检测效率，正如单像素所显示的那样。虽然这里的工作展示的是单光子水平的经典成像，但研究人员预计未来的大尺寸实现将极大地促进量子成像的应用，如亚雷利超分辨率成像或亚镜头噪声成像。这些应用通常需要检测时间和空间上的量子相关性，并在很大程度上依赖于高效率和低背景噪声。他们预计这些照相机在红外和紫外应用中将特别有吸引力，而在可见光应用中，高性能硅器件（如不需要低温冷却的单光子雪崩光电二极管）可能仍将是领先技术。

【专家意见】

这项关于 40万像素超导纳米线单光子探测器相机操作的工作代表了一项令人印象深刻的技术成就，因为尚未展示具有可比像素数量的此类相机。这一成果必将激励研究人员进一步扩大类似阵列的规模，进而在许多领域实现大量应用。——瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院Val Zwiller教授

各种量子技术的未来发展取决于单光子的高效生成、操纵和检测。这项工作中报道的单光子探测器重新定义了这些设备的最新技术，并因此因其具有大量应用的潜力而脱颖而出。——《自然》高级编辑Federico Levi

来源：高分子科学前沿

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