能够探测单个光子（最小的光）的超导体相机已经存在了 20 年，但由于无法将其缩放到几个像素以上，因此它们仍然仅限于实验室。现在，位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的一个团队已经制造出了一款 0.4 兆像素的单光子相机，其大小是之前同类最大相机的 400 倍。他们在 6 月 15 日提交给 arXiv 的预印本中报告了他们的结果。

由超导纳米线制成的单光子相机能够以无与伦比的灵敏度和速度以及无与伦比的频率范围来测量光。随着尺寸的飞跃，单光子相机有望从实验室好奇物转变为工业技术。这些相机可以在下一个詹姆斯·韦伯式望远镜中找到宇宙成像的用途，测量光子量子计算机和通信中的光，并利用非侵入性光技术观察大脑。

“从科学的角度来看，这无疑为光学脑成像开辟了一条新途径，”未参与这项工作的哈佛医学院放射学副教授Stefan Carp说。“其他光学映射皮质脑流的方法可能成本较低，但它们都有影响信号质量的缺点，通常需要复杂的信号处理。从性能角度来看，纳米线没有任何妥协。”

超导纳米线探测器可以捕获几乎每个光子，在可见光、紫外线和红外线频率下工作，并在短短皮秒内输出结果，以实现高帧率检测。探测器的灵敏度源于这样一个事实：流过超导体的足够高的电流会破坏其超导特性。相机的每个像素都是一根超导线，其电流设置为略低于阈值，因此与导线碰撞的单个光子将破坏其超导性。断裂会导致导线上的电阻增加，几乎可以立即检测到。

扩大单光子相机规模的秘密

单个像素的性能非常出色，但将多个像素彼此靠近地集成在单个芯片上一直是一项长期存在的挑战。为了实现超导性，该设备必须冷却至低温，并且将许多像素连接到冷却系统中是令人望而却步的。“我当然无法将一百万根电线放入我的低温恒温器中，”领导这项工作的 NIST 物理学家Adam McCaughan说道。“这将是一个令人作呕的工程量，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汲取了灵感。他们借用了通用读出总线的想法，一次从整行或整列像素收集探测器信息。然而，总线的直接应用会在像素之间引入串扰，从而破坏设备的灵敏度。“读出总线通常的制造方式存在的问题是它们是对称的——任何能出去的东西都可以进来，”麦考恩说。“所以我们想，‘我们如何以不对称的方式将探测器耦合到总线？’”

关键是找出非对称方案，其中来自探测器的信号将传输到总线，但反之则不然。为此，该团队在每个检测像素旁边设计了一个中间步骤，其中他们将加热元件与超导纳米线并联。撞击纳米线的光子会破坏超导性并使电流偏转到加热元件中。然后加热元件会自然加热，进而破坏总线上的局部超导性，总线也是由超导线制成的。这不会干扰相邻的加热元件，从而产生所需的不对称耦合。

更大的相机可以带来实际用途

事实证明，这个设计非常富有成效。“制造工艺优化后，我记得 Bakhrom 不断过来告诉我，‘嘿，Adam，我想我已经让 2000 像素的相机工作了，’”McCaughan 说道，他指的是主要作者 Bakhrom Oripov。“一周后，他回来告诉我，‘我的 8000 像素的可以工作了。’” 然后“我得到了 40,000 像素的。” 它一直在上涨、上涨、上涨、上涨、上涨。”

尺寸的巨大改进开辟了许多应用，特别是在生物医学成像领域。例如，Carp 和杜克大学生物医学成像助理教授Roarke Horstmeyer等科学家正在开发一种技术，通过向大脑照射光线并检测散射回来的微量光线来对大脑进行成像。“我们的宏伟愿景是制造便携式 MRI，”Horstmeyer 说。

对于将光照射到人体组织，近红外频率是理想的选择。它们可以更深入地渗透到组织中，并且破坏性较小，从而允许更高的强度。市售的硅基探测器在这些频率下表现不佳。“这种纳米线技术非常适合生物光学设备中优选使用的光，”Horstmeyer 说。拥有这种大型设备可以实现对整个大脑进行实时成像等可能性。

博尔德团队目前正在与几个生物成像小组密切合作，以使设备适应他们的特殊需求，例如提高定时灵敏度。研究人员相信这些改进是可以实现的。“就这项技术的应用而言，”卡普说，“在某种程度上，天空是极限。”