Фото: С. Келли/Национальный институт стандартов и технологий.

Камера NIST состоит из сеток ультратонких электрических проводов, охлажденных почти до абсолютного нуля, по которым ток течет без сопротивления до тех пор, пока в провод не попадет фотон. В этих сверхпроводящих нанопроволочных камерах можно обнаружить энергию, передаваемую даже одним фотоном, поскольку она отключает сверхпроводимость в определенном месте (пикселе) сетки. Объединение всех местоположений и интенсивностей всех фотонов составляет изображение.

Первые сверхпроводящие камеры, способные обнаруживать одиночные фотоны, были разработаны более 20 лет назад. С тех пор устройства содержали не более нескольких тысяч пикселей — слишком мало для большинства приложений.

Анимация изображает специальную систему считывания, которая позволила исследователям NIST создать однофотонную камеру из 400 000 сверхпроводящих нанопроводов, камеру с самым высоким разрешением в своем типе. Благодаря дальнейшим усовершенствованиям камера станет идеальной для таких задач при слабом освещении, как визуализация слабых галактик или планет, находящихся за пределами Солнечной системы, измерение света в квантовых компьютерах на основе фотонов и биомедицинские исследования, в которых используется ближний инфракрасный свет, чтобы заглянуть в человека. Фото: С. Келли/НИСТ.

Создание сверхпроводящей камеры с большим количеством пикселей стало серьезной проблемой, поскольку стало практически невозможно подключить каждый отдельный охлажденный пиксель из многих тысяч к собственному считывающему проводу. Проблема связана с тем, что для правильной работы каждый из сверхпроводящих компонентов камеры должен быть охлажден до сверхнизких температур, а индивидуальное подключение каждого из миллионов пикселей к системе охлаждения было бы практически невозможным.

Исследователи NIST Адам МакКоган и Бахром Орипов и их сотрудники из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, и Университета Колорадо в Боулдере преодолели это препятствие, объединив сигналы от многих пикселей всего на несколько проводов для считывания комнатной температуры.

Общим свойством любого сверхпроводящего провода является то, что он позволяет току свободно течь до определенного максимального «критического» тока. Чтобы воспользоваться таким поведением, исследователи подали на датчики ток чуть ниже максимального. При этом условии, если хотя бы один фотон попадет в пиксель, он разрушит сверхпроводимость. Ток больше не может течь без сопротивления через нанопроволоку и вместо этого направляется на небольшой резистивный нагревательный элемент, подключенный к каждому пикселю. Шунтированный ток создает электрический сигнал, который можно быстро обнаружить.

Позаимствовав существующие технологии, команда NIST сконструировала камеру с пересекающимися массивами сверхпроводящих нанопроводов, которые образуют несколько рядов и столбцов, как в игре «крестики-нолики». Каждый пиксель — крошечная область с центром в точке пересечения отдельных вертикальных и горизонтальных нанопроволок — однозначно определяется строкой и столбцом, в которых он находится.

Такое расположение позволило команде измерять сигналы, поступающие от целого ряда или столбца пикселей одновременно, вместо того, чтобы записывать данные от каждого отдельного пикселя, что резко сократило количество проводов считывания. Для этого исследователи поместили сверхпроводящий считывающий провод параллельно рядам пикселей, но не касаясь его, и еще один провод параллельно столбцам, но не касаясь их.

Рассмотрим только сверхпроводящий провод считывания, параллельный строкам. Когда фотон попадает в пиксель, ток, проходящий через резистивный нагревательный элемент, нагревает небольшую часть считывающего провода, создавая крошечную горячую точку. Горячая точка, в свою очередь, генерирует два импульса напряжения, идущие в противоположных направлениях вдоль считывающего провода, которые регистрируются детекторами на обоих концах. Разница во времени, которое требуется импульсам для достижения конечных детекторов, показывает столбец, в котором находится пиксель. Второй сверхпроводящий считывающий провод, расположенный параллельно столбцам, выполняет аналогичную функцию.

Детекторы могут различать различия во времени прибытия сигналов, составляющие всего 50 триллионных секунды. Они также могут рассчитывать до 100 000 фотонов в секунду, попадающих в сетку.

Как только команда приняла новую архитектуру считывания, Орипов добился быстрого прогресса в увеличении количества пикселей. За считанные недели это число подскочило с 20 000 до 400 000 пикселей. По словам Маккогана, технологию считывания можно легко масштабировать для еще более крупных камер, и вскоре может стать доступной сверхпроводящая однофотонная камера с десятками или сотнями миллионов пикселей.

В течение следующего года команда планирует улучшить чувствительность прототипа камеры, чтобы она могла захватывать практически каждый входящий фотон. Это позволит камере решать такие задачи при слабом освещении, как визуализация слабых галактик или планет, находящихся за пределами Солнечной системы, измерение света в квантовых компьютерах на основе фотонов и участие в биомедицинских исследованиях, в которых используется ближний инфракрасный свет для изучения тканей человека.