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研究背景
在过去的50年里，超导探测器为微弱电磁信号的检测提供了卓越的灵敏度和速度。这些探测器在非常低的温度下运行，产生的多余噪声极低，这使得它们非常适合测试现实的非局部性质、研究暗物质、绘制早期宇宙以及执行量子计算和通信。
关键问题
然而，超导探测器在超导相机中的应用仍存在以下问题：尽管超导相机具有吸引人的特性，但目前还没有大规模的超导相机，即使是最大的演示也从未超过20,000 像素。对于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）尤其如此。超导探测器已被证明具有98.0%的系统探测效率、低于3 ps的定时抖动、从紫外线到中红外线的灵敏度以及微赫兹暗计数率，但在SNSPD中从未实现过大于千像素的阵列尺寸。
新思路
有鉴于此，美国科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所B. G. Oripov（一作+通讯）等人开发了400,000像素SNSPD相机，与现有技术相比，技术水平提高了400倍。阵列的面积为4×2.5 mm，分辨率为5×5 μm，在370 nm和635 nm波长处达到单位量子效率，计数率为1.1× 105 cps，暗技术速率为1.0×10−4 cps。该成像区域不包含辅助电路，并且该架构的可扩展性远远超出了目前的演示，为在广泛的电磁频谱范围内具有近乎统一检测效率的大幅面超导相机铺平了道路。作者简要地概述了SNSPD阵列的组成、结构、尺寸及相应的工作条件，阐明了SNSPD的设计思路。作者展示了包含50列SNSPD的单个部分的电路图，解析了探测器和读出总线的电气操作，证实了探测器在很宽的偏置电流范围内具有单位量子效率。作者发现探测器会产生异常高的暗计数率，通过测量和修剪过程来消除有缺陷的检测器，实现了>90%的光学吸收效率。作者测量了SNSPD阵列的时序性能，证实了该阵列在单光子状态下运行，表明将总线总数增加B倍会使整个阵列的最大读出速率增加B2倍。1、首次实现了400,000像素SNSPD相机，比现有水平提高了400倍作者将热行列传感器元件与热耦合成像仪读数相结合开发了SNSPD阵列，大大减少了检测器间的串扰并实现了更大的可扩展性，首次实现了40万像素的SNSPD相机。本工作展示了迄今为止最大的超导光子计数相机，其性能提高了20倍，采用了高效的时间分辨架构，该架构既可扩展又可容忍制造缺陷。作者所提出架构允许成像区域仅包含探测器，从而使未来的阵列能够达到接近统一的系统探测效率。SNSPD阵列由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由两条独立的4 nm厚、1.1 μm宽的导线图案化而成。行和列探测器间隔5μm并排列成网格，分辨率为5×5μm。每个行或列检测器都连接到一个电阻热耦合器，该热耦合器包含一个小加热器，该加热器通过薄的电绝缘介电垫片热耦合到读出总线。在操作期间，总线包含相对较低的电流密度，不直接感光，从而允许读出总线避免杂散光子产生错误计数。
探测器被分为50行或50列的部分，每个部分独立偏置。对于每个部分，偏置电流以电阻方式分布在50个探测器之间，作者展示了包含50列SNSPD的单个部分的电路图。当光子被探测器吸收时，探测器上会形成峰值为几kΩ的热点。该电阻将偏置电流从检测器转移到热耦合器的加热元件中。热耦合器内产生的声子局部破坏了读出总线上的超导状态，产生两个沿读出总线传播的相反极性的电压脉冲。探测器在波长370nm和635nm处具有较大的平台区域，表明在很宽的偏置电流范围内具有单位量子效率。
经过初步筛选后，作者发现探测器产生了异常高的暗计数率，使总线不堪重负，并混淆了真实计数。作者通过测量和修剪过程来消除有缺陷的检测器，在单次迭代中，能够有效地去除所有有缺陷的检测器（1300个有缺陷的检测器中的58个）。作者通过测试结构表征了探测器到总线的转换效率，发现在总线上创建热点所需的最小能量为8.1×10−17 J。在运行过程中，观察到探测器和总线有很大的运行裕度，这表明热耦合过程具有良好的均匀性和灵敏度。模拟表明，对于1550 nm光子，相机使用基本的TiO2/SiO2减反射叠层、金镜和λ/4腔结构可以实现>90%的光学吸收效率，并且探测器具有广泛的兼容值宽度和节距。
最后，作者还测量了阵列的时序性能。观察到光子计数率与光子通量成正比，表明该阵列在单光子状态下运行。计数率主要受到总线速度的限制——检测后，总线中的电流在特征时间τdead内减少，并且在此期间任何其他光子检测都将丢失。作者测量了从读出总线发出的脉冲的自相关性，表明τdead为 4.4 μs。为了提高最大读出率，可以简单地添加更多总线。对于固定的阵列大小，将总线总数增加B倍会导致每条总线的最大读出速率增加B倍，从而使整个阵列的最大读出速率增加B2倍。
展望
总之，作者展示了迄今为止最大的超导光子计数相机，尽管这里的工作展示了单光子水平的经典成像，但预计未来的大幅面实现将极大地实现量子成像中的应用，例如亚瑞利超分辨率成像或亚散粒噪声成像。这些应用通常需要检测时间和空间上的量子相关性，并且在很大程度上依赖于高效率和低背景噪声。此外，这些相机对于红外和紫外应用也极具潜力，在可见光、高性能硅器件中，例如没有低温冷却要求的单光子雪崩光电二极管，可能仍将是领先技术。Oripov, B.G., Rampini, D.S., Allmaras, J. et al. A superconducting nanowire single-photon camera with 400,000 pixels. Nature 622, 730–734 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-06550-2 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06550-2
