La nouvelle caméra supraconductrice de 400 000 pixels offre une vue sans précédent du cosmos

Une nouvelle caméra supraconductrice de 400 000 pixels offre des capacités sans précédent en matière d’imagerie haute résolution à faible bruit pour les applications d’astronomie et de technologie quantique.

Dans la poursuite d'objets célestes faibles comme les étoiles lointaines et les exoplanètes, capturant chaque photon est essentiel pour maximiser le rendement scientifique d’une mission. Les caméras utilisées pour cette tâche doivent fonctionner avec des niveaux de bruit extrêmement faibles et détecter les plus petites quantités de lumière : des photons uniques.

Historiquement, les caméras supraconductrices, tout en répondant à ces exigences de faible bruit et de haute sensibilité, ont été limitées par leur petite taille, ne dépassant souvent pas quelques milliers de pixels, ce qui limite leur capacité à capturer des images haute résolution. Cependant, une percée réalisée par une équipe de recherche a récemment brisé cette barrière, créant une caméra supraconductrice de 400 000 pixels. Cette avancée permet la détection de faibles signaux astronomiques sur un large spectre, des longueurs d'onde ultraviolettes aux infrarouges.

La caméra supraconductrice de 400 000 pixels basée sur des détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs. Crédit : Adam McCaughan/NIST

Bien qu'il existe de nombreuses autres technologies de caméras, les caméras utilisant des détecteurs supraconducteurs sont très attrayantes pour les missions astronomiques en raison de leur fonctionnement extrêmement silencieux. Lors de l’imagerie de sources faibles, il est crucial qu’une caméra rapporte fidèlement la quantité de lumière reçue, et ne fausse pas la quantité de lumière reçue ou n’injecte pas ses propres faux signaux. Les détecteurs supraconducteurs sont plus que capables de remplir cette tâche, en raison de leur fonctionnement à basse température et de leur composition unique. Comme l'a décrit le Dr Adam McCaughan, responsable du projet, « avec ces détecteurs, vous pourriez collecter des données toute la journée, capturant des milliards de photons, et moins de dix de ces photons seraient le résultat du bruit ».

Bakhrom Oripov (à gauche) et Ryan Morgenstern (à droite), membres de l'équipe du NIST, montent la caméra supraconductrice sur un étage cryogénique spécialisé. Crédit : Adam McCaughan/NIST

Mais si les détecteurs supraconducteurs sont très prometteurs pour les applications astronomiques, leur utilisation dans ce domaine a été entravée par la petite taille des caméras qui autorisent relativement peu de pixels. Ces détecteurs étant très sensibles, il est difficile d’en regrouper un grand nombre dans une petite zone sans qu’ils n’interfèrent les uns avec les autres. De plus, comme ces détecteurs doivent être conservés au froid dans un réfrigérateur cryogénique, seule une poignée de fils peuvent être utilisés pour acheminer les signaux de la caméra vers l'électronique de lecture plus chaude.

Pour surmonter ces limites, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), le NASA Laboratoire de propulsion à réaction (JPL), et l'Université du Colorado à Boulder ont appliqué la technologie de multiplexage dans le domaine temporel à l'interrogation de réseaux bidimensionnels de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD). Les nanofils SNSPD individuels sont disposés sous forme de lignes et de colonnes qui se croisent. Lorsqu'un photon arrive, les temps nécessaires pour déclencher un détecteur de ligne et un détecteur de colonne sont mesurés pour déterminer quel pixel a envoyé le signal. Cette méthode permet à la caméra d'encoder efficacement ses nombreuses lignes et colonnes sur quelques fils de lecture au lieu de milliers de fils.

Cette animation représente le système de lecture nouvellement développé qui a permis aux chercheurs de construire une caméra supraconductrice à un seul fil de 400 000 pixels, la caméra à la plus haute résolution de ce type. Crédit : S. Kelley/NIST

Les SNSPD sont un type de détecteur dans un ensemble de nombreuses technologies de détection supraconductrices, notamment les détecteurs à inductance cinétique micro-ondes (MKID), les capteurs de transition (TES) et les détecteurs à capacité quantique (QCD). Les SNSPD sont uniques en ce sens qu'ils sont capables de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que les températures millikelvin requises par ces autres technologies et peuvent avoir une résolution temporelle extrêmement bonne, bien qu'ils ne soient pas capables de résoudre la couleur des photons individuels. Les SNSPD font l'objet de recherches collaboratives par le NIST, le JPL et d'autres membres de la communauté depuis près de deux décennies, et ces travaux les plus récents n'ont été possibles que grâce aux progrès générés par la communauté plus large des détecteurs supraconducteurs.

Une fois que l’équipe a mis en œuvre cette architecture de lecture, elle a constaté qu’il devenait immédiatement simple de construire des caméras supraconductrices avec un nombre extrêmement grand de pixels. Comme l'a décrit le Dr Bakhrom Oripov, responsable technique, « la grande avancée ici est que les détecteurs sont véritablement indépendants, donc si vous voulez une caméra avec plus de pixels, il vous suffit d'ajouter plus de détecteurs à la puce. » Les chercheurs notent que même si leur récent projet portait sur un appareil de 400 000 pixels, ils ont également une démonstration prochaine d'un appareil de plus d'un million de pixels et n'ont pas encore trouvé de limite supérieure.

Membres de l'équipe du JPL avec deux prototypes de cryo-refroidisseurs qui seront utilisés pour tester la caméra supraconductrice aux longueurs d'onde de l'ultraviolet lointain. De gauche à droite, Emanuel Knehr, Boris Korzh, Jason Allmaras et Andrew Beyer. Crédit : Boris Korzh/NASA JPL

L’une des choses les plus excitantes pour lesquelles les chercheurs pensent que leur caméra pourrait être utile est la recherche de planètes semblables à la Terre en dehors de notre système solaire. Pour détecter ces planètes avec succès, les futurs télescopes spatiaux observeront des étoiles lointaines et rechercheront de minuscules portions de lumière réfléchie ou émise provenant de planètes en orbite. La détection et l'analyse de ces signaux sont extrêmement difficiles et nécessitent de très longues expositions, ce qui signifie que chaque photon collecté par le télescope est très précieux. Une caméra fiable et à faible bruit sera essentielle pour détecter ces quantités incroyablement petites de lumière.

Les caméras SNSPD peuvent également être utilisées sur Terre pour détecter les signaux de communication optique provenant de missions dans l’espace lointain. En fait, la NASA démontre actuellement cette capacité via le projet Deep Space Optical Communications (DSOC), qui est la première démonstration de communication optique en espace libre depuis l’espace interplanétaire. Le DSOC envoie des données depuis un vaisseau spatial appelé Psyché, lancé le 13 octobre et en route vers l'astéroïde Psyché, vers un terminal au sol basé sur le SNSPD à l'observatoire Palomar. Les liaisons optiques peuvent transmettre des données à un débit beaucoup plus élevé que les liaisons radiofréquence à partir de distances interplanétaires. L'excellente résolution temporelle de la caméra développée pour la station au sol recevant les données Psyché lui permet de décoder les données optiques du vaisseau spatial, ce qui permet de recevoir beaucoup plus de données en un temps donné que si des signaux radio étaient utilisés.

Ces capteurs seront également utiles pour de nombreuses applications sur Terre. La longueur d'onde de fonctionnement de cette caméra étant très flexible, elle pourrait être optimisée pour des applications en imagerie biomédicale afin de détecter de faibles signaux provenant de cellules et de molécules, qui n'étaient auparavant pas détectables. Le Dr McCaughan a déclaré : « Nous serions ravis de remettre ces caméras entre les mains de neuroscientifiques. Cette technologie pourrait leur fournir un nouvel outil pour étudier notre cerveau, de manière totalement non intrusive.

Enfin, le domaine en croissance rapide de la technologie quantique, qui promet de changer la façon dont nous sécurisons les communications et les transactions ainsi que la façon dont nous simulons et optimisons les processus complexes, pourrait également bénéficier de cette technologie passionnante. Un seul photon peut être utilisé pour transférer ou calculer un seul bit d’information quantique. De nombreuses entreprises et gouvernements tentent actuellement de développer les ordinateurs quantiques et les liaisons de communication, et l’accès à une caméra à photon unique si facilement évolutive pourrait surmonter l’un des principaux obstacles à l’exploitation du plein potentiel des technologies quantiques.

Selon l'équipe de recherche, les prochaines étapes consisteront à exploiter cette première démonstration et à l'optimiser pour les applications spatiales. « Nous disposons actuellement d'une démonstration de validation de principe », explique le Dr Boris Korzh, responsable du co-projet, « mais nous devrons l'optimiser pour montrer tout son potentiel. » L'équipe de recherche planifie actuellement des démonstrations de caméras à ultra-haute efficacité qui valideront l'utilité de cette nouvelle technologie dans l'ultraviolet et l'infrarouge.