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「单光子相机」像素提升400倍！
光子盒研究院
现在，位于科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所（NIST）团队已经创造了一个40万像素的单光子“相机”——是之前同类最大相机的400倍。
单光子相机最显著的优势之一是其卓越的灵敏度。通过检测单个光子，它们可以捕捉极其微弱的信号并在近乎黑暗的环境中工作。这种灵敏度在天体摄影、夜视和显微镜等应用中特别有用，因为在这些应用中，在低光环境中捕捉精细的细节是至关重要的。
此时，单光子相机可以揭示隐藏的信息，甚至在具有挑战性的照明条件下提供高质量的图像。
除了灵敏度之外，单光子相机还提供了高时间分辨率。通过精确测量每个光子的到达时间，这些相机能够以显著的精度快速捕捉事件。这种能力在荧光寿命成像和时间相关的单光子计数等应用中很有价值：这些应用需要精确的时间测量。
这种成像技术并不新鲜，事实上，它已经存在了几十年，然而这些设备的分辨率一直很低：像素数在1000左右，与今天传统数码相机的商业设备中的几十兆像素相比，分辨率相差甚远。
造成这种限制的主要原因是，单光子相机必须过冷才能工作，而将高分辨率相机所需的所有线路放入低温箱中，迄今已证明是不可行的。
因此，学界、业界对于这一成就都评价颇高。
例如，哈佛大学医学院放射学副教授Stefan Carp说：“从科学的角度来看，这无疑是为大脑光学成像开辟了一条新途径。其他用于光学绘制大脑皮层流动图的方法可能成本较低，但它们都有影响信号质量的缺点，往往需要复杂的信号处理。从性能角度来看，这次的纳米线没有任何妥协。”
超导纳米线探测器可以捕获几乎每一个光子，在可见光、紫外线和红外线频率下工作，并在短短几皮秒内输出结果，用于高帧率检测。
探测器的灵敏度源于运行在超导体中的足够大的电流将破坏其超导特性。相机的每个像素都是一根超导线材，其电流设置刚好低于阈值，因此，与线材碰撞的单个光子将破坏其超导性。断裂的结果是导线上的电阻增加，这几乎可以立即被检测到。
单一像素的性能是惊人的，但将许多像素放在一个单一的芯片上、相互靠近，一直是一个长期的挑战。
为了实现超导性，该设备必须被冷却到低温，而将许多像素连接到冷却系统中是很困难的。“我当然不能把一百万条线放到我的低温箱里。”领导这项工作的NIST工作人员、物理学家Adam McCaughan说：“这将是一个令人难以置信的工程量，更不用说把它读出来了。”
为了克服这些困难，该团队从其他探测器技术中获得了灵感。他们借用了普通读出总线的想法，一次从整行或整列的像素中收集探测器的信息；然而，总线的直接应用引入了像素之间的串话，破坏了设备的灵敏度。
“通常的读出总线制造方式的问题是，它们是对称的：任何可以出去的东西都可以进来。所以，我们想开始思考怎样才能以不对称的方式将探测器与总线连接起来？”
关键是弄清楚非对称方案——即探测器的信号将被转移到总线上，而不是反过来。
为此，研究小组在每个检测像素旁边设计了一个中间步骤，他们在其中将一个加热元件与超导纳米线并联起来。打到纳米线上的光子将打破超导性，并使电流偏转到加热元件上。然后，加热元件将自然升温，并反过来在总线上打破超导性，而总线也是由超导线材制成的。这将不会干扰相邻的加热元件，从而创造出所需的不对称耦合。
这种设计被证明是非常有成效的。
巨大的尺寸改进开辟了许多应用，特别是在生物医学成像方面。例如，卡普和杜克大学生物医学成像助理教授Roarke Horstmeyer等科学家正在开发技术，通过将光照入大脑并检测散射回来的微小光量来对其进行成像。
Horstmeyer认为，后续更宏伟的愿景是制作一个便携式核磁共振成像。
对于将光照进人体组织，近红外频率是理想的。它们能更深入地穿透组织、破坏性更小、允许更高的强度；而商业上可用的硅基探测器在这些频率下表现不佳。因此，Horstmeyer说：“这种纳米线技术真的很适合用于生物光学设备的光。拥有这样一个大型设备，为实时对整个大脑进行成像等提供了可能性。”
NIST团队现在正与几个生物成像小组密切合作，以使该设备适应他们的特殊需要，例如改进计时灵敏度。研究人员认为这些改进是可以实现的。“就这项技术的应用而言，在某种程度上，潜力是无穷的：将应用于从生物医学成像到粒子和量子物理研究等领域。”
参考链接：[1]https://spectrum.ieee.org/single-photon-camera[2]https://arxiv.org/abs/2306.09473[3]https://www.hackster.io/news/a-quantum-leap-in-imaging-414050903a5f