単一光子を撮影できる新たな超伝導カメラの開発に成功

masapoco
投稿日
2023年10月31日 15:54
superconducting camera

研究者たちは、単一光子を解像できるほど感度の高い、40万画素の超伝導カメラを製作した。このカメラは、光子が1本以上のワイヤーに当たるまで抵抗のない超伝導ワイヤーのグリッドで構成されている。これによりグリッドの超伝導が停止し、信号が送信される。信号の位置と強度を組み合わせることで、カメラは画像を生成する。

このカメラを開発した米国国立標準技術研究所(NIST)の研究者によれば、このアーキテクチャは拡張可能であり、現在の反復は、電磁スペクトルの広い範囲にわたって検出を行うことができる、さらに大きなフォーマットの超伝導カメラへの道を開くものだという。 これは、かすかな銀河や太陽系外惑星を撮像するような天文学的ベンチャーや、近赤外光を使って人体組織を覗き見るような生物医学的研究に理想的だろう。

このような装置は何十年も前から可能だったが、画素数は数分の一だった。今回の新バージョンは、同種の装置の400倍の画素数を持つ。これまでのバージョンは、出力が低画質であったため、あまり実用的ではなかった。

アニメーションは、NISTの研究者が40万本の単線超伝導カメラを作ることを可能にした特別な読み出しシステムを描いたもので、このタイプのカメラでは最高解像度である。さらに改良を加えれば、このカメラは、微光銀河や太陽系外にある惑星のイメージング、光子ベースの量子コンピューターにおける光の測定、近赤外光を使って人体組織を覗き見る生物医学的研究など、低照度での研究に理想的なものとなるだろう。(Credit: S. Kelley/NIST)

過去には、カメラの超電導部品(何十万本ものワイヤーになる)をそれぞれ冷却システムに接続して冷やすことは困難で不可能であることが判明していた。

NISTによると、カリフォルニア州パサデナにあるNASAジェット推進研究所とコロラド大学ボルダー校のAdam McCaughan氏、Bakhrom Oripov氏とその共同研究者たちは、三目並べゲームのようにワイヤーを複数の行と列になるように構成し、それぞれの交点をピクセルとすることで、この障害を克服した。そして、多数のピクセルからの信号をわずか数本の室温読み出しナノワイヤーに結合させた。

この検出器は、50兆分の1秒という短い信号の到着時間の違いを識別することができる。また、グリッドに衝突する毎秒10万個の光子を検出することもできる。

McCaughan氏は、この読み出し技術はさらに大きなカメラ用に簡単にスケールアップできると述べ、数千万から数億のピクセルを持つ超伝導単一光子カメラが近いうちに利用可能になるだろうと予測した。

その一方で、研究チームはプロトタイプカメラの感度を向上させ、事実上すべての入射光子を捉えることができるようにする予定である。そうすれば、天文学や医療画像など、多くの分野で画期的な変化をもたらす可能性のある量子イメージング技術に取り組むことができるようになる。


論文

参考文献


この記事は、NANCY ATKINSON氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。



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