От одного фотона до целого изображения: секреты сверхпроводящей камеры

Фотография — это искусство и наука захватывать свет на чувствительной поверхности. Чем слабее свет, тем труднее получить четкое и качественное изображение. Но что, если нужно сфотографировать не целый поток света, а лишь один фотон — самую маленькую частицу света? Такая задача кажется невозможной, но ученые из Национального института стандартов и технологии (NIST) и их коллеги смогли решить ее, создав сверхпроводящую камеру, содержащую 400 000 пикселей — в 400 раз больше, чем у любого другого устройства такого типа.

Сверхпроводящая камера работает по принципу детектора одиночных фотонов. Она состоит из сетки ультратонких электрических проводов, охлажденных до близких к абсолютному нулю температур, в которых ток движется без сопротивления, пока провод не поражен фотоном. При попадании даже одного фотона на определенное место (пиксель) на сетке он уничтожает сверхпроводимость. Комбинируя все места и интенсивности всех фотонов, можно составить 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 гораздо большим количеством пикселей представляло собой серьезную проблему, потому что становилось практически невозможным подключить каждый отдельный охлажденный пиксель из многих тысяч к своему собственному проводу для считывания. Проблема заключается в том, что каждый из сверхпроводящих компонентов камеры должен быть охлажден до ультранизких температур для нормальной работы, и индивидуальное подключение каждого пикселя из сотен тысяч к системе охлаждения было бы практически невозможным.

Исследователи из NIST Адам МакКоган и Бахром Орипов и их коллеги из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния, и Университета Колорадо в Боулдере преодолели этот барьер, объединив сигналы от многих пикселей на всего несколько проводов для считывания при комнатной температуре. Общее свойство любого сверхпроводящего провода заключается в том, что он позволяет току свободно течь до определенного максимального «критического» тока. Чтобы воспользоваться этим поведением, исследователи подавали ток чуть ниже максимального на датчики. При этом условии, если даже один фотон ударяет пиксель, он разрушает сверхпроводимость.

Таким образом, ученые смогли создать камеру с 400 000 пикселей, каждый из которых может обнаружить один фотон. Это открывает новые возможности для науки и биомедицинских исследований. Сверхпроводящие камеры позволяют захватывать очень слабые световые сигналы, будь то от далеких объектов в космосе или частей человеческого мозга. Имея больше пикселей, можно получать более детальные и точные изображения.

Например, такая камера может быть использована для астрономических наблюдений за тусклыми галактиками или планетами, лежащими за пределами солнечной системы. Также она может быть полезна для измерения света в фотонных квантовых компьютерах, которые используют фотоны в качестве кубитов — основных элементов вычислений. Кроме того, она может быть применена для биомедицинских исследований, которые используют ближний инфракрасный свет для проникновения в человеческую ткань и изучения структуры и функции клеток.

Сверхпроводящая камера — это прорыв в области фотографии, который может расширить наши возможности исследования мира на микро- и макроуровнях. Однако у нее есть и свои ограничения. Она требует специальной системы охлаждения, которая делает ее дорогой и сложной в эксплуатации. Также она работает только в определенном диапазоне длин волн света, который не соответствует видимому спектру для человеческого глаза. Поэтому такая камера не может заменить обычные цифровые камеры, которые мы используем в повседневной жизни.