近日，南京大学超导电子学研究所赵清源教授课题组在Advanced Imaging期刊发表主编特邀综述论文《Progress and challenges in building large‑scale superconducting nanowire single‑photon cameras》。该论文为量子成像（Quantum Imaging）专题的主编特邀稿件，代表期刊编委会对该研究方向重要性的高度认可。
单光子成像依托超高灵敏度单光子探测器捕获极弱光信号与光子量子信息，可实现高灵敏度、高时间分辨多维成像，是量子成像、激光雷达、天文观测、生物荧光成像、深空光通信等领域的核心技术。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）拥有接近 100% 探测效率、亚 3 皮秒时间抖动、极低暗计数、宽光谱响应（X 射线至 29 μm 中红外）等综合优势，是当前性能顶尖的单光子探测器件。把单像元 SNSPD 拓展为大规模阵列，结合低温系统、成像光学、重建算法构建完整单光子相机，是领域重要目标，但受极低温工作条件约束，规模化阵列研制面临多重技术难题。
图1 SNSPD相机原型机发展
综述重点梳理了 SNSPD 阵列六大主流读出技术：幅度 / 脉宽复用、频分复用、时分复用、超导数字读出（SFQ、nTron）、电阻型行列架构、热耦合行列架构，对比不同方案的可扩展性、功耗、串扰、制造容错性，梳理领域重要里程碑。
图2 SNSPD阵列读出架构里程碑
其中热耦合行列架构已经实现 40 万像素 SNSPD 阵列的重大突破，证明超导纳米线相机具备向百万像素演进的巨大潜力；时分延迟线成像器件凭借优异时间分辨能力，被广泛用于各类原型相机研制；而超导数字读出则是实现像素级寻址的理想路线，但大规模低温超导数字电路设计制备难度很高。
图3 超导纳米线单光子探测器的长波长性能
文章系统归纳当前 SNSPD 相机迈向实用化的六大核心挑战：系统探测效率提升、光谱向长波红外拓展、多光子事件歧义问题消除、高良率均匀像素制备、紧凑型低温成像杜瓦开发、适配 SNSPD 阵列的图像重建算法优化。
图4 多光子事件模糊的算法校正
大规模阵列会引入薄膜与纳米线缺陷，造成量子效率衰减；面向中长红外探测时，器件临界电流、输出脉冲幅值大幅降低，给阵列读出带来巨大压力；多数复用读出架构在多光子同时入射时会产生位置歧义，引发图像畸变，目前主要依靠算法校正缓解，根本解决仍依赖硬件层面多光子分辨读出；晶圆级高均匀超导薄膜、光刻工艺、自动化低温测试是提升器件良率的关键；同时兼顾低温稳定性、低振动、光学窗口、低热负载的小型化杜瓦系统，以及硬件‑算法联合优化的重建方案，都是制约 SNSPD 相机走出实验室的关键短板。
图5 原子层沉积制备的氮化铌薄膜与大规模SNSPDs
综述指出，尽管 SNSPD 相机整体仍处于实验室原型阶段、系统成本居高不下，但 40 万像素阵列的实现已经验证该体系的可扩展性。随着量子信息、单光子成像、光谱学领域科研人员开始使用 SNSPD 相机原型开展实验，应用反馈反过来会驱动器件设计、系统集成与算法迭代。期待超导电子、光学、计算成像多学科交叉协作，加速高性能 SNSPD 相机实用化进程，使其在前沿科学与工程场景发挥重要作用。
图6 自由空间耦合系统、小型低温恒温器以及高温超导体
本研究得到量子科技国家重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持。柳震博士为第一作者；赵清源教授为通讯作者。研究团队一并致谢所有参与讨论和提出建议的同行。
论文信息
Zhen Liu, Qing-Yuan Zhao*. Progress and challenges in building large‑scale superconducting nanowire single‑photon cameras [J]. Advanced Imaging, 2026, 3 (4): B00009 DOI:10.3788/AI.2026.20010
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