מצלמה חדשה מוליכת-על של 400,000 פיקסלים מציעה נוף חסר תקדים של הקוסמוס

מצלמה מוליכת-על חדשה עם 400,000 פיקסלים מציעה יכולות חסרות תקדים בהדמיה עם רעש נמוך וברזולוציה גבוהה עבור יישומי אסטרונומיה וטכנולוגיה קוונטית.

במרדף אחר עצמים שמימיים חלשים כמו כוכבים רחוקים וכוכבי לכת, לוכדים כל פוטון חיוני למיצוי התשואה המדעית של משימה. מצלמות המשמשות למשימה זו צריכות לפעול עם רמות רעש נמוכות במיוחד ולזהות את הכמויות הקטנות ביותר של אור – פוטונים בודדים.

מבחינה היסטורית, מצלמות מוליכות-על, בעודן עומדות בדרישות אלו של רעש נמוך ורגישות גבוהה, הוגבלו על ידי הגודל הקטן שלהן, לרוב לא עולה על כמה אלפי פיקסלים, מה שמגביל את יכולתן לצלם תמונות ברזולוציה גבוהה. עם זאת, פריצת דרך של צוות מחקר ניתצה לאחרונה את המחסום, ויצרה מצלמה מוליכת-על עם 400,000 פיקסלים. התקדמות זו מאפשרת זיהוי של אותות אסטרונומיים חלשים על פני ספקטרום רחב, מאורכי גל אולטרה סגול ועד אינפרא אדום.

בעוד שהרבה טכנולוגיות מצלמה אחרות קיימות, מצלמות המשתמשות בגלאים מוליכים-על מושכות מאוד לשימוש במשימות אסטרונומיות בשל פעולתן דלת הרעשים. בעת הדמיה של מקורות חלשים, חיוני שמצלמה תדווח נאמנה על כמות האור הנקלט, ולא תטיף את כמות האור המתקבלת או תזריק אותות שווא משלה. גלאים מוליכים-על מסוגלים יותר למשימה זו, בשל פעולתם בטמפרטורה נמוכה והרכבם הייחודי. כפי שתואר על ידי ראש הפרויקט ד"ר אדם מקוהן, "עם הגלאים האלה אתה יכול לקחת נתונים כל היום, ללכוד מיליארדי פוטונים, ופחות מעשרה מהפוטונים האלה יהיו תוצאה של רעש."

אבל בעוד שלגלאים מוליכי-על יש הבטחה גדולה ליישומים אסטרונומיים, השימוש בהם בתחום הזה נבלם על ידי גדלי מצלמה קטנים המאפשרים מעט פיקסלים יחסית. בגלל שהגלאים האלה כל כך רגישים, קשה לארוז הרבה מהם לאזור קטן מבלי שהם יפריעו זה לזה. בנוסף, מכיוון שגלאים אלה צריכים להישמר קרים במקרר קריוגני, ניתן להשתמש רק בקומץ של חוטים כדי להעביר את האותות מהמצלמה לאלקטרוניקה המחממת יותר.

כדי להתגבר על מגבלות אלה, חוקרים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST), ה נאס"א מעבדת הנעה סילון (JPL), ואוניברסיטת קולורדו בולדר יישמה טכנולוגיית ריבוי תחום זמן לחקירה של מערכי גלאי פוטון בודדים (SNPD) דו-מימדיים. ננו-חוטי SNSPD הבודדים מסודרים כשורות ועמודות מצטלבות. כאשר פוטון מגיע, נמדדות הזמנים שלוקח להפעיל גלאי שורה וגלאי עמודות כדי לוודא איזה פיקסל שלח את האות. שיטה זו מאפשרת למצלמה לקודד ביעילות את השורות והעמודות הרבות שלה על רק כמה חוטי קריאה במקום אלפי חוטים.

אנימציה זו מתארת ​​את מערכת הקריאה החדשה שפותחה שאיפשרה לחוקרים לבנות מצלמה בעלת מוליכות-על של 400,000 חוטים בודדים, המצלמה ברזולוציה הגבוהה ביותר מסוגה. קרדיט: S. Kelly/NIST

SNSPDs הם סוג אחד של גלאים באוסף של טכנולוגיות גלאי-על מוליכות רבות כאלה, כולל גלאי השראות קינטית של מיקרוגל (MKID), חיישני קצה מעבר (TES) וגלאי קיבול קוונטי (QCD). SNSPDs הם ייחודיים בכך שהם מסוגלים לפעול הרבה יותר חמים מטמפרטורות המיליקלווין הנדרשות על ידי אותן טכנולוגיות אחרות, ויכולות להיות בעלי רזולוציית תזמון טובה במיוחד, למרות שהם אינם מסוגלים לפתור את הצבע של פוטונים בודדים. SNSPDs נחקרו בשיתוף פעולה על ידי NIST, JPL ואחרים בקהילה במשך כמעט שני עשורים, והעבודה האחרונה הזו הייתה אפשרית רק הודות להתקדמות שנוצרה על ידי קהילת גלאי-העל הרחבה יותר.

לאחר שהצוות יישם את ארכיטקטורת הקריאה הזו, הם גילו שזה הפך להיות פשוט לבנות מצלמות מוליכות-על עם מספר גדול מאוד של פיקסלים. כפי שתואר על ידי המוביל הטכני ד"ר בכרום אוריפוב, "ההתקדמות הגדולה כאן היא שהגלאים הם באמת עצמאיים, אז אם אתה רוצה מצלמה עם יותר פיקסלים, אתה פשוט מוסיף עוד גלאים לשבב". החוקרים מציינים שבעוד שהפרויקט האחרון שלהם היה מכשיר של 400,000 פיקסלים, יש להם גם הדגמה קרובה של מכשיר עם למעלה ממיליון פיקסלים, ועדיין לא מצאו גבול עליון.

אחד הדברים המרגשים ביותר שהחוקרים חושבים שהמצלמה שלהם יכולה להיות שימושית עבורם הוא חיפוש אחר כוכבי לכת דמויי כדור הארץ מחוץ למערכת השמש שלנו. כדי לזהות כוכבי לכת אלה בהצלחה, טלסקופי חלל עתידיים יצפו בכוכבים רחוקים ויחפשו חלקים זעירים של אור מוחזר או נפלט המגיע מכוכבי לכת המקיפים אותם. זיהוי וניתוח האותות הללו הוא מאתגר ביותר ודורש חשיפות ארוכות מאוד, מה שאומר שכל פוטון שנאסף על ידי הטלסקופ הוא בעל ערך רב. מצלמה אמינה עם רעש נמוך תהיה קריטית כדי לזהות את כמויות האור הקטנות להפליא הללו.

ניתן להשתמש במצלמות SNSPD גם בכדור הארץ כדי לזהות אותות תקשורת אופטיים ממשימות בחלל העמוק. למעשה, נאס"א מדגימה כעת יכולת זו באמצעות פרויקט תקשורת אופטית בחלל עמוק (DSOC), שהוא ההדגמה הראשונה של תקשורת אופטית בחלל פנוי מהחלל הבין-פלנטרי. DSOC שולחת נתונים מחללית בשם Psyche – ששוגרה ב-13 באוקטובר ונמצאת בדרכה לאסטרואיד Psyche – למסוף קרקעי מבוסס SNSPD במצפה הכוכבים של פאלומר. קישורים אופטיים יכולים להעביר נתונים בקצב גבוה בהרבה מקישורי תדר רדיו ממרחקים בין כוכבי לכת. רזולוציית התזמון המצוינת של המצלמה שפותחה עבור התחנה הקרקעית שמקבלת נתוני Psyche מאפשרת לה לפענח נתונים אופטיים מהחללית, מה שמאפשר לקבל הרבה יותר נתונים בזמן נתון מאשר אילו היו משתמשים באותות רדיו.

חיישנים אלה יהיו שימושיים גם עבור יישומים רבים על פני כדור הארץ. מכיוון שאורך הגל ההפעלה של מצלמה זו הוא גמיש מאוד, ניתן לבצע אופטימיזציה עבור יישומים בהדמיה ביו-רפואית כדי לזהות אותות חלשים מתאי ומולקולות, שבעבר לא היו ניתנים לזיהוי. ד"ר מקוהן ציין, "נשמח לקבל את המצלמות הללו בידי מדעני מוח. הטכנולוגיה הזו יכולה לספק להם כלי חדש לחקור את המוח שלנו, בצורה לא פולשנית לחלוטין".

לבסוף, התחום הצומח במהירות של טכנולוגיה קוונטית, המבטיח לשנות את הדרך בה אנו מאבטחים תקשורת ועסקאות, כמו גם את הדרך בה אנו מדמים ומייעלים תהליכים מורכבים, ירוויח גם הוא מהטכנולוגיה המרגשת הזו. ניתן להשתמש בפוטון בודד כדי להעביר או לחשב סיביות בודדות של מידע קוונטי. חברות וממשלות רבות מנסות כיום להגדיל מחשבים קוונטיים וקישורי תקשורת וגישה למצלמה חד-פוטון הניתנת להרחבה כל כך בקלות, עשויה להתגבר על אחד המכשולים העיקריים למיצוי מלוא הפוטנציאל של טכנולוגיות קוונטיות.

לדברי צוות המחקר, הצעדים הבאים יהיו לקחת את ההדגמה הראשונית הזו ולייעל אותה עבור יישומי חלל. "כרגע יש לנו הדגמה של הוכחת קונספט", אומר ראש הפרויקט המשותף ד"ר בוריס קורז', "אבל נצטרך לייעל אותה כדי להראות את מלוא הפוטנציאל שלה." צוות המחקר מתכנן כעת הדגמות מצלמות יעילות במיוחד שיאשרו את התועלת של טכנולוגיה חדשה זו הן באולטרה סגול והן באינפרא אדום.