Нова камера на 400 000 пікселів забезпечує безпрецедентний вид на космос

Нова надпровідна камера з роздільною здатністю 400 000 пікселів пропонує безпрецедентні можливості для отримання зображень із низьким рівнем шуму та високою роздільною здатністю для застосування в астрономії та квантових технологіях.

У гонитві за слабкими небесними об’єктами, такими як далекі зоря та екзопланети, захоплення кожного фотона має важливе значення для досягнення максимальної наукової ефективності місії. Камери, які використовуються для цього завдання, повинні працювати з надзвичайно низьким рівнем шуму та виявляти найменшу кількість світла — поодинокі фотони.

Історично склалося так, що надпровідні камери, відповідаючи цим вимогам щодо низького рівня шуму та високої чутливості, були обмежені своїм малим розміром, який часто не перевищував кількох тисяч пікселів, що обмежує їх здатність знімати зображення з високою роздільною здатністю. Однак прорив дослідницької групи нещодавно зруйнував цей бар’єр, створивши надпровідну камеру з 400 000 пікселів. Цей прогрес дозволяє виявляти слабкі астрономічні сигнали в широкому спектрі, від ультрафіолетового до інфрачервоного випромінювання.

Хоча існує багато інших технологій камер, камери з надпровідними детекторами дуже привабливі для використання в астрономічних місіях через їх надзвичайно низький рівень шуму. Під час зображення слабких джерел надзвичайно важливо, щоб камера вірно повідомляла про кількість отриманого світла, а не спотворювала кількість отриманого світла та не вводила власні хибні сигнали. Надпровідні детектори більш ніж здатні впоратися з цим завданням завдяки своїй роботі при низьких температурах і унікальному складу. Як описав керівник проекту доктор Адам МакКоган, «за допомогою цих детекторів ви можете цілий день знімати дані, захоплюючи мільярди фотонів, і менше десяти з цих фотонів будуть результатом шуму».

Але в той час, як надпровідні детектори мають великі перспективи для астрономічних застосувань, їх використання в цій галузі заважає невеликим розмірам камер, які дозволяють відносно невелику кількість пікселів. Оскільки ці детектори дуже чутливі, їх важко розмістити багато з них на невеликій площі, щоб вони не заважали один одному. Крім того, оскільки ці детектори потрібно зберігати в холоді в кріогенному холодильнику, лише кілька проводів можна використовувати для передачі сигналів від камери до теплішої електроніки зчитування.

Щоб подолати ці обмеження, дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST), Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) і Університету Колорадо в Боулдері застосували технологію мультиплексування в часовій області для опитування двовимірного надпровідного нанодроту. масиви детекторів фотонів (SNSPD). Окремі нанодроти SNSPD розташовані у вигляді пересічних рядків і стовпців. Коли надходить фотон, вимірюється час, необхідний для запуску детектора рядків і детекторів стовпців, щоб визначити, який піксель надіслав сигнал. Цей метод дозволяє камері ефективно кодувати численні рядки та стовпці лише на кількох проводах зчитування замість тисяч проводів.

SNSPD є одним із типів детекторів у наборі багатьох таких надпровідних детекторних технологій, включаючи детектори мікрохвильової кінетичної індуктивності (MKID), датчики перехідного краю (TES) і детектори квантової ємності (QCD). SNSPD унікальні тим, що вони здатні працювати при температурі, яка є набагато вищою за мілікельвінові температури, необхідні для цих інших технологій, і можуть мати надзвичайно хорошу роздільну здатність за часом, хоча вони не здатні розрізняти колір окремих фотонів. NIST, JPL та інші спільно досліджували SNSPD протягом майже двох десятиліть, і ця остання робота стала можливою лише завдяки досягненням, досягнутим більшою спільнотою надпровідних детекторів.

Після того, як команда реалізувала цю архітектуру зчитування, вони відразу виявили, що побудувати надпровідні камери з надзвичайно великою кількістю пікселів стало просто. Як описав технічний керівник д-р Бахром Оріпов, «великий прогрес тут полягає в тому, що детектори справді незалежні, тому, якщо вам потрібна камера з більшою кількістю пікселів, ви просто додаєте більше детекторів до чіпа». Дослідники відзначають, що хоча їхній нещодавній проект був 400 000-піксельним пристроєм, у них також є майбутня демонстрація пристрою з понад мільйоном пікселів, і вони ще не знайшли верхню межу.