یک دوربین ابررسانا با ۴۰۰,۰۰۰ پیکسل، قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای را در تصویربرداری با نویز کم و رزولوشن بالا برای کاربردهای نجوم و فناوری کوانتومی ارائه می‌دهد.
به گزارش تک‌ناک، در جست‌وجوی اجرام کم‌نور آسمانی مانند: ستارگان و سیارات فراخورشیدی، ثبت هر فوتون برای به حداکثر رساندن بازده علمی یک مأموریت ضروری است. دوربین‌هایی که برای این کار استفاده می‌شوند، باید با سطوح نویز بسیار پایین کار کنند و کوچک‌ترین مقادیر نور (تک فوتون) را تشخیص دهند.
در گذشته، دوربین‌های ابررسانا در حالی که این الزامات نویز کم و حساسیت بالا را برآورده می‌کردند، اغلب به دلیل اندازۀ کوچک خود از چند هزار پیکسل تجاوز نمی‌کرد و محدود بود. این محدودیت، توانایی آنها را در ثبت تصاویر با رزولوشن بالا کاهش می‌داد. با وجود این، پیشرفتی که به تازگی توسط یک تیم تحقیقاتی صورت گرفته، این مانع را شکسته و دوربینی ابررسانا با ۴۰۰,۰۰۰ پیکسل ساخته است. این پیشرفت، امکان تشخیص سیگنال‌های ضعیف نجومی را در طیف وسیعی از طول موج‌ها، از فرابنفش تا فروسرخ، فراهم می‌کند.
دوربین فوق رسانای ۴۰۰,۰۰۰ پیکسلی مبتنی بر تشخیص‌دهنده‌های فوتون تکی نانوسیم فوق رسانا.به نقل از scitechdaily، در فناوری نوین، دوربین‌های متنوع دیگری نیز وجود دارند، که از تشخیص‌گرهای ابررسانا استفاده می‌کنند و به دلیل عملکرد بسیار کم‌نویزشان برای استفاده در مأموریت‌های نجومی بسیار جذاب هستند. نکتۀ مهم اینجاست که هنگام تصویربرداری از منابع کم‌نور، ضروری است که یک دوربین مقدار نور دریافتی را به صورت دقیق گزارش دهد و نه اینکه مقدار نور دریافتی را تحریف یا سیگنال‌های نادرست خود را تزریق کند. تشخیص‌گرهای ابررسانا به دلیل عملکرد در دمای پایین و ترکیب منحصربه‌فرد خود، برای این کار بیش از حد توانایی دارند. دکتر آدام مک‌کاگان، سرپرست پروژه دربارۀ این دوربین‌ها گفت: با این تشخیص‌گرها می‌توانید تمام روز داده بگیرید، میلیاردها فوتون را ثبت کنید، در حالی‌که کمتر از ده مورد آن فوتون‌ها نتیجۀ نویز خواهند بود.
اعضای تیم NIST، بخروم اوریپوف (سمت چپ) و رایان مورگنسترن (سمت راست)، دوربین فوق رسانا را به یک مرحلۀ تخصصی کریوژنیک نصب می‌کنند.با وجود اینکه تشخیص‌گرهای ابررسانا وعده‌های زیادی برای کاربردهای نجومی دارند، امّا استفاده از آنها در این حوزه به دلیل اندازۀ کوچک دوربین‌هایی که پیکسل‌های به نسبت کمی را مجاز می‌دانند، محدود شده است. به دلیل حساسیت بسیار بالای این تشخیص‌گرها، چالش‌هایی در قرار دادن تعداد زیادی از آنها در یک فضای محدود بدون ایجاد تداخل وجود دارد. علاوه بر این، از آنجایی که این تشخیص‌گرها باید در دماهای بسیار پایین توسط یخچال‌های کریوژنیک خنک شوند، تنها تعداد محدودی سیم می‌تواند برای انتقال سیگنال‌ها از دوربین به تجهیزات الکترونیکی که در دماهای گرم‌تر قرار دارند، مورد استفاده قرار گیرند. این محدودیت‌ها می‌توانند باعث تأثیر در میزان تصاویری ثبت شده، شوند و به همین دلیل باید به دنبال راهکارهای نوینی برای بهبود این تکنولوژی باشیم.
در راستای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان مؤسسۀ ملی استاندارد و فناوری (NIST)، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) و دانشگاه کلرادو بولدر از فناوری چندگانه‌سازی حوزۀ زمان برای بازجویی از آرایه‌های آشکارساز تک فوتون ابررسانای نانوسیمی دو بُعدی (SNSPD) استفاده کردند. نانوسیم‌های تک‌تک SNSPD به صورت ردیف‌ها و ستون‌های متقاطع چیده شده‌اند. بعد از رسیدن یک فوتون، اندازه‌گیری‌هایی انجام می‌شود که چه میزان زمان برای راه‌اندازی تشخیص‌گر ردیف و تشخیص‌گر ستون نیاز است تا مشخص شود کدام پیکسل ارسال‌کنندۀ سیگنال بود. این روش به دوربین اجازه می‌دهد تا ردیف‌ها و ستون‌های فراوان خود را به جای هزاران سیم فقط بر روی چند سیم خوانش رمزگذاری کند.
SNSPDها نوعی آشکارساز در مجموعۀ بسیاری از فناوری‌های آشکارساز ابررسانا، از جمله آشکارسازهای القای جنبشی مایکروویو (MKID)، حسگرهای لبه گذار (TES) و آشکارسازهای ظرفیت کوانتومی (QCD) هستند. دلیل منحصربه فرد بودن SNSPDها این است که می‌توانند بسیار گرم‌تر از دماهای میلی‌کلوینی که سایر فناوری‌ها نیاز دارند، کار کنند و توانایی تفکیک زمانی بسیار خوبی هم داشته باشند، اگرچه قادر به تفکیک رنگ تک تک فوتون‌ها نیستند. SNSPDها حدود دو دهه توسط NIST، JPL و سایرین در جامعه به‌صورت مشترک مورد پژوهش قرار گرفته‌اند و این تازه‌ترین کار تنها به لطف پیشرفت‌های حاصل‌شده به وسیلۀ جامعۀ گسترده‌تر تشخیص‌گر ابررسانا امکان‌پذیر شد.
پس از آنکه تیم این معماری خوانش را پیاده‌سازی کرد، متوجه شدند که ساخت دوربین‌های ابررسانا با تعداد بسیار زیادی پیکسل بلافاصله ساده می‌شود. دکتر بخروم اوریپوف، رهبر فنی این پروژه بیان کرد: پیشرفت بزرگ این است که تشخیص‌گرها واقعاً مستقل هستند، بنابراین اگر به دوربینی با پیکسل بیشتر نیاز دارید، فقط کافی است تشخیص‌گرهای بیشتری به تراشه اضافه کنید. محققان معتقد هستند: علاوه بر اینکه پروژۀ اخیر آنها یک دستگاه ۴۰۰,۰۰۰ پیکسلی بود، آنها نمایشی از آینده با بیش از یک میلیون پیکسل از یک دستگاه دارند و هنوز محدودیت بالایی پیدا نکرده‌اند.
اعضای تیم JPL با دو پروتوتایپ کریوکولر که برای آزمایش دوربین ابررسانا در طول موج‌های فرابنفش دور استفاده خواهد شد. از چپ به راست، امانوئل کنر، بوریس کورژ، جیسون آلمارس، و اندرو بایر.یکی از هیجان‌انگیزترین کاربردهایی که محققان فکر می‌کنند دوربین کشف شده می‌تواند برای آن مفید باشد، جست‌وجو برای سیارات شبیه زمین در خارج از منظومۀ شمسی است. در راستای تشخیص موفقیت‌آمیز این سیارات، تلسکوپ‌های فضایی آینده، ستارگان دور را رصد می‌کنند و به دنبال بخش‌های کوچکی از نور منعکس شده یا ساطع‌شده از سیارات در حال گردش هستند. تشخیص و تجزیه و تحلیل این سیگنال‌ها بسیار چالش‌برانگیز است و به نوردهی‌های بسیار طولانی نیاز دارد، به این معنی که هر فوتون جمع‌آوری شده توسط تلسکوپ بسیار ارزشمند است. به همین دلیل یک دوربین قابل اعتماد و کم‌نویز برای تشخیص این مقادیر فوق‌العاده کم نور حیاتی خواهد بود.
همچنین دوربین‌های SNSPD می‌توانند بر روی زمین برای تشخیص سیگنال‌های ارتباط نوری از مأموریت‌های اعماق فضا استفاده شوند. در واقع، ناسا در حال حاضر این قابلیت را با استفاده از پروژۀ ارتباطات نوری فضای عمیق (DSOC) نشان می‌دهد، که اولین نمایش ارتباط نوری فضای آزاد از فضای بین سیاره‌ای است. DSOC در حال ارسال داده از فضاپیمایی به نام Psyche است که در ۱۳ اکتبر پرتاب شد و در حال حرکت به سمت سیارک Psyche می‌باشد. یک پایانۀ زمینی واسته به SNSPD در رصدخانۀ پالومار می‌توانند لینک‌های نوری داده را با سرعت بسیار بالاتری نسبت به لینک‌های فرکانس رادیویی از فواصل بین سیاره‌ای منتقل کنند. تفکیک زمانی عالی دوربینی که برای ایستگاه زمینی دریافت داده‌های Psyche توسعه یافته است، به آن اجازه می‌دهد تا داده‌های نوری را از فضاپیما رمزگشایی کند، که امکان دریافت دادۀ بسیار بیشتری را در زمان معین نسبت به استفاده از سیگنال‌های رادیویی فراهم می‌آورد.
این حسگرها همچنین برای بسیاری از کاربردها روی زمین مفید خواهند بود. از آنجایی که طول موج عملیاتی این دوربین بسیار انعطاف‌پذیر است، می‌توان آن را برای کاربردهای تصویربرداری زیست پزشکی به منظور تشخیص سیگنال‌های ضعیف از سلول‌ها و مولکول‌هایی که در گذشته قابل شناسایی نبودند، کاربردی کرد. دکتر مک‌کاگان در این زمینه عنوان کرد: ما دوست داریم این دوربین‌ها را به دست عصب‌شناسان برسانیم. این فناوری می‌تواند به روشی کاملاً غیرتهاجمی، ابزاری جدید برای مطالعۀ مغز به آنها ارائه دهد.
در نهایت، حوزۀ رو به رشد و سریع فناوری کوانتومی که قول می‌دهد شیوۀ برقراری ارتباطات و تراکنش‌های امن، همچنین نوع شبیه‌سازی و بهینه‌سازی فرآیندهای پیچیده را تغییر دهد و از این فناوری هیجان‌انگیز بهره‌مند شود. از یک فوتون واحد می‌توان برای انتقال یا محاسبۀ یک بیت واحد از اطلاعات کوانتومی استفاده کرد. بسیاری از شرکت‌ها و دولت‌ها در حال حاضر سعی در ارتقای رایانه‌های کوانتومی و لینک‌های ارتباطی دارند و دسترسی به یک دوربین تک فوتونی که به راحتی قابل مقیاس‌بندی است، می‌تواند به یکی از موانع اصلی برای باز کردن پتانسیل کامل فناوری‌های کوانتومی غلبه کند.
به گفتۀ تیم تحقیقاتی، گام‌های بعدی برداشتن این نمایش اولیه و بهینه‌سازی آن برای کاربردهای فضایی خواهد بود. دکتر بوریس کورژ، سرپرست مشترک پروژه، اعلام کرد: اکنون ما یک نمایش اثبات مفهوم داریم، امّا برای نشان دادن تمام پتانسیل نیاز به بهینه‌سازی آن وجود دارد. امروزه تیم تحقیقاتی در حال برنامه‌ریزی برای نمایش‌های دوربین با بازده فوق‌العاده بالا هستند، که قابلیت این فناوری جدید را در هر دو محدودۀ فرابنفش و فروسرخ تأیید می‌کند.
