南京大学吴培亨院士团队赵清源课题组受邀撰写的“超导纳米线延迟线单光子成像器件进展及应用”文章，介绍了一种基于超导纳米线延迟线的新型单光子成像器件，通过联合优化的单光子成像算法，成功实现了极高背景噪声下的三维图像重构，展现了超导单光子成像器件在极端场景下的应用潜力。

1、单光子计算成像背景

量子信息技术的发展加深了我们对光的理解和操控，也启发我们开展基于单光子探测的新型成像技术(Quantum inspired computational imaging)。光子作为光量子性的体现，是光能被检测到的最小能量单元。传统相机通过对不同位置光强的探测，实现物体成像，本质上是对一段时间内所有光子的叠加效果。单光子成像则是对每个光子的三维时空信息(x,y,t)进行标记后，再结合每个光子的特征和物体的先验信息，重构出物体图像的新型成像。

单光子计算成像技术利用每个光子携带的时空信息和量子统计特性，并引入计算摄影学的技术，实现了传统技术无法实现的成像功能。例如,当入射光已经微弱至传统相机无法工作的强度时,单光子成像技术能够突破经典成像的信噪比极限——即使每个像素仅能探测一个光子,也能够复原出物体的三维图像^[1],从而提升现有遥感和侦察系统的工作距离和成像质量。又例如,对于隐藏在角落的物体,可以通过计算光子在墙面的散射和飞行过程,复原出视线外物体的三维图像,从而对隐藏的物体进行识别和跟踪,这是有望应用于安防、反恐等特殊场合的最新技术^[2]。

恢复透过散射介质的图像信息一直是成像领域的大难题,单光子计算成像利用每个光子的时间和空间信息配合反演算法,可以对散射材料80倍平均自由程厚度的材料进行穿透成像。该技术在生物活体组织成像中具有良好的应用前景^[3]。在这些场景中,目标物体反射的光通常是单光子水平,远低于常规线性光探测器的灵敏度极限，因此需要使用具备单光子灵敏度的单光子成像器件。

2、高性能单光子成像器件

单光子成像器件有基于半导体的和基于超导技术的。

基于半导体技术的增强型电荷耦合器件(ICCD)、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)都是基于CCD 改进的单光子成像器件。虽然他们具备单光子的灵敏度，但存在时间分辨率低、探测效率低等问题。集成时间读取电路的单光子探测器阵列(SPAD array)将盖革模式的单光子雪崩二极管组合成阵列结构，并对每一个像元集成为时间—数字转换电路(TDC)，能够实现几百皮秒(ps)的时间分辨率。但TDC电路占用了片上空间，牺牲了探测单元的面积，因此目前SPAD成像器件的空间分辨率较低，像素间距通常大于50 μm^[4]。

基于超导纳米线的单光子探测器（SNSPD）具备>90%的器件探测效率、<1 Hz的暗计数率、<10 ps的时间抖动、<10 ns的恢复时间以及从可见光至近红外的宽谱响应范围，是目前单光子探测领域综合性能最优的探测器。

但是，相比于半导体阵列读出技术，对SNSPD探测器阵列进行复用读出（例如行列读出、编码读出），随着阵列规模的提升，读出电路的规模和复杂度也增加，并且，超导探测器所工作的极低温环境又对读出电路的功耗提出了严苛的要求。

2017年，美国麻省理工学院的Karl Berggren教授、赵清源博士及其合作者提出一种无需片上读出电路的超导纳米线单光子成像器件 (SNSPI)^[5]，如图1所示。SNSPI同样采用超导纳米线作为光探测单元，但不同于传统单个SNSPD的设计，SNSPI中的纳米线被设计为微波传输线的结构。当光子在纳米线位置x处被吸收，会破坏此处纳米线的超导状态，将其激发至电阻态。纳米线超导至电阻态的转变，同时也激发出一对传输方向和极性相反的电脉冲。由于此结构中的纳米线被设计为传输线的模式，被激发的脉冲对将沿着纳米线往两端传输。脉冲到达纳米线两端的时间不同，因此，从测量的脉冲到达时间差获得光子到达的位置x=(tL-tR)v/2，相应地，通过脉冲到达时刻之和，获得光子的到达时刻tp=(tL+tR-L/v)/2。超导纳米线成像器件由一根连续的纳米线蜿蜒实现。通过控制纳米线的空间蜿蜒结构，可以实现不同形式的面阵和线阵，如图2所示。

图1 超导纳米线延迟线实现光子时空双态读出（其中tp为光子达到纳米线的时刻，L为纳米线的总几何长度，v为电脉冲在纳米线中的传输速度）

图2 几种不同的超导纳米线延迟线成像器几何结构

3、高背景噪声下的单光子成像应用

在单光子成像中，由于信号光子稀少，因此图像质量受背景光子的影响很严重。当前的一些少光子成像技术利用一些背景噪声去除算法，可以在背景-信号光子比(BSR；RBSR)小于25的条件下恢复出目标物体的三维图像^[7,8]，但是对于背景噪声这类极其强烈的场景，单光子成像的难点就变成了如何有效地区分信号光子和背景噪声光子。

在主动成像中，成像系统接受的信号光子会在时间域上聚集在一起，而背景噪声光子则会均匀分布在整个时间轴上。基于这个原理，信号光子可以通过窄的时间窗口从背景噪声光子中区分开。本课题组制备的SNSPI，所有像元的总时间抖动为60 ps，完全继承了SNSPD低时间抖动的优点。越低的时间抖动就意味着可以使用更窄的时间窗口，从而更有效地去除噪声光子。本课题组搭建了基于SNSPI器件的单光子计算相机（图3），验证了低时间抖动特性在高背景噪声场景下(RBSR>100）的单光子成像优势^[6]，结果如图4所示。

图3 单光子计算相机实物图(左图)。制冷机内部的成像器件和滤波片实物图(右图)。

图4 高背景噪声下的单光子三维图像重构流程

4、总结

超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的超导单光子探测器，它利用超导纳米线特有的高动态电感构建低速微波延迟，通过时间逻辑的方式，实现对光子到达时刻和位置的双重读取。这种基于超导纳米线本身电学性能实现的光子位置读出，避免了使用复杂低温数字电路对超导纳米线单光子探测器阵列进行片上读取，是一种快速实现单光子成像的理想器件；同时，这种本征的读出方式保证了探测器的性能不受读出电路的影响，保留了超导纳米线单光子探测器低时间抖动的优势。因此，SNSPI非常适合基于光子飞行时间测量的单光子成像应用。

目前，SNSPI的探测效率还受制于传输线结构导致的低占空比以及缺少集成的光学谐振腔，需要通过同时优化微波和光学设计来实现系统探测效率的增强。成像速度、探测器面积等方面还有很大的提升空间，需要从高性能超大纳米线制备、低温脉冲信号放大、高速时间测量等方面继续优化。