Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) только что представили сверхпроводящую камеру, которая может переопределить наш взгляд на Вселенную. Хотя сверхпроводящие камеры уже более двух десятилетий фиксируют самые тусклые огни Вселенной, новая камера знаменует собой огромный шаг вперед в современном уровне техники: с нескольких тысяч пикселей до ошеломляющих 400 000.

Изображение Вселенной по одному фотону за раз

Сверхпроводящие камеры не новы. Эти устройства, которые превосходно улавливают невероятно слабые световые сигналы, существуют уже более двух десятилетий.

В отличие от традиционных камер, которые используют полупроводниковые датчики для захвата широкого спектра света, сверхпроводящие камеры могут обнаруживать одиночные фотоны, что делает их чрезвычайно эффективными для захвата слабых источников света, таких как далекие звезды или галактики.

Волшебство происходит, когда эти камеры охлаждаются почти до абсолютного нуля. При этой температуре электрические токи текут без сопротивления — явление, известное как «сверхпроводимость». Но когда фотон — частица света — попадает в детектор камеры, он нарушает этот поток в конкретном пикселе. Нанося на карту эти нарушения по сетке камеры, ученые могут сформировать изображение.

Но появилось ограничение. До сих пор эти камеры содержали всего несколько тысяч пикселей, что ограничивало их потенциал.

Исследователи из NIST в сотрудничестве с Лабораторией реактивного движения НАСА и Университетом Колорадо в Боулдере преодолели этот барьер, создав камеру с разрешением 400 000 пикселей. Это в 400 раз больше, чем у предыдущих моделей.

До сих пор добавление большего количества пикселей в сверхпроводящие камеры было огромной проблемой. Это немного похоже на попытку подключить каждый дом в городе к собственному источнику воды. Для работы каждому пикселю в камере требуется собственное подключение к системе охлаждения. С миллионами пикселей это казалось почти невозможным.

Но, умело объединив сигналы от многих пикселей всего на несколько нанопроводов, команде удалось обойти эту проблему. Позаимствовав концепции из существующих технологий, они создали систему, в которой один провод мог считывать данные со всей строки или столбца пикселей одновременно. Это немного похоже на игру в крестики-нолики, где каждая точка пересечения представляет собой пиксель.

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

Используя эту стратегию, команда смогла быстро определить, какой пиксель был активирован фотоном, сократив количество необходимых проводов и открыв путь для еще более крупных сверхпроводящих камер в будущем. Нет жестких ограничений на масштабирование этой конструкции, поэтому исследователи утверждают, что вскоре может стать доступной сверхпроводящая однофотонная камера с десятками или сотнями миллионов пикселей.

Возможности такой мощной камеры огромны. Область применения варьируется от захватывающих изображений далеких галактик и планет до улучшения медицинских изображений. В течение следующего года команда намерена повысить его чувствительность, надеясь поймать практически каждый входящий фотон.

Результаты появились в журнале Природа .