Сверхпроводящие камеры позволяют ученым улавливать очень слабые световые сигналы, будь то от удаленных объектов в космосе или частей человеческого мозга. Наличие большего количества пикселей могло бы открыть множество новых применений в науке и биомедицинских исследованиях.

Камера NIST состоит из сетки ультратонких электрических проводов, охлажденных почти до абсолютного нуля, в которой ток движется без сопротивления до тех пор, пока фотон не ударит по проводу. В этих камерах со сверхпроводящими нанопроводами энергия, передаваемая даже одним фотоном, может быть обнаружена, поскольку он отключает сверхпроводимость в определенном месте (пикселе) сетки. Объединение всех местоположений и интенсивностей всех фотонов образует 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.

Создание сверхпроводящей камеры с большим количеством пикселей представляло серьезную проблему, поскольку было бы практически невозможно подключить каждый отдельный охлажденный пиксель из многих тысяч к его собственному считывающему проводу. Проблема связана с тем фактом, что каждый из сверхпроводящих компонентов камеры должен быть охлажден до сверхнизких температур, чтобы функционировать должным образом, и индивидуально подключить каждый пиксель из миллионов к системе охлаждения было бы практически невозможно.

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 множества пикселей всего на нескольких проводах для измерения комнатной температуры.

Общим свойством любого сверхпроводящего провода является то, что он позволяет току свободно протекать вплоть до определенного максимального "критического" тока. Чтобы воспользоваться преимуществами такого поведения, исследователи приложили к датчикам ток чуть ниже максимального. При этом условии, если даже один фотон попадет на пиксель, это разрушит сверхпроводимость. Ток больше не может протекать без сопротивления по нанопроволоке и вместо этого шунтируется к небольшому резистивному нагревательному элементу, подключенному к каждому пикселю. Шунтированный ток создает электрический сигнал, который может быть быстро обнаружен.

Позаимствовав существующую технологию, команда NIST сконструировала камеру таким образом, чтобы она имела пересекающиеся массивы сверхпроводящих нанопроволок, которые образуют множество строк и столбцов, как в игре в 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 целой строки или столбца пикселей одновременно, вместо того чтобы записывать данные с каждого отдельного пикселя, что значительно сократило количество проводов считывания. Для этого исследователи поместили сверхпроводящий считывающий провод параллельно рядам пикселей, но не касаясь их, и другой провод параллельно столбцам, но не касаясь их.

Рассмотрим только сверхпроводящий считывающий провод, параллельный рядам. Когда фотон попадает на пиксель, ток, подаваемый на резистивный нагревательный элемент, нагревает небольшую часть провода считывания, создавая крошечную горячую точку. Точка доступа, в свою очередь, генерирует два импульса напряжения, распространяющихся в противоположных направлениях по проводу считывания, которые регистрируются детекторами на обоих концах. Разница во времени, которое требуется для поступления импульсов на конечные детекторы, показывает столбец, в котором находится пиксель. Аналогичную функцию выполняет второй сверхпроводящий считывающий провод, расположенный параллельно колоннам.

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

Как только команда внедрила 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 камер еще большего размера, и вскоре может появиться сверхпроводящая однофотонная камера с десятками или сотнями миллионов пикселей.

В течение следующего года команда планирует улучшить чувствительность камеры-прототипа таким образом, чтобы она могла улавливать практически каждый поступающий фотон. Это позволит камере выполнять такие задачи в условиях низкой освещенности, как получение изображений слабых галактик или планет, лежащих за пределами Солнечной системы, измерение освещенности в квантовых компьютерах на основе фотонов и внесение вклада в биомедицинские исследования, которые используют ближний инфракрасный свет для изучения тканей человека.