洞穿宇宙开端的芯片：新型超导传感器发现了重力波

南极望远镜BICEP2利用

一种新型超导探测电路

来寻找宇宙膨胀的证据

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几年前，一支天文学家团队宣布了一个重大消息：首次观测到充斥早期宇宙的引力波。该波可能是“膨胀”（即被认为紧随大爆炸后宇宙体积激增的短暂爆炸时刻）的回声。若这个猜测得到证实，那么引力波的发现就为人们回到时间的伊始打开了一扇窗。

但如果没有一套全新的、高灵敏度的超导电路，我们可能永远也无法透过那扇窗凝望过去。运营观察到该引力波的BICEP2南极望远镜的团队一员肯特•厄文（Kent Irwin）说：“层出不穷的新硬件让我们具备了实现此次测量的能力。”厄文还是斯坦福大学和斯坦福直线加速器中心（SLAC）美国国家加速器实验室的一名教授。

利用BICEP2进行探测是寻找宇宙初期引起太空拉伸和压缩的引力波证据的首个试验。正如其他同类试验一样，BICEP2并非寻找引力波本身，而是寻找引力波留在宇宙微波背景（CMB）上的印记，这样即可在整个天空看到的138亿年前的光。

出现在CMB上的古老引力波是将极化的光子略微做了“扭曲”或“盘绕”而导致的。这种极化模式被称为B模式，非常模糊。伦敦皇家学院的宇宙学家安德鲁•杰夫（Andrew Jaffe）称，物理学家将特定波长的光的强度等同为温度。从这一角度出发，B模式的信号相当于一度的大约千万分之一，而CMB的辐射则要亮得多，为2.73开。更具有难度的是，银河系和其他星系里混杂的一些来源，会产生与原始引力波类似的极化模式。

BICEP2的探测器是由位于加州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室（JPL）的一个团队研制的。它利用了一系列关键技术，这在前一代B模式搜寻器中是没有的。

BICEP于2006年至2008年运行，其包含的像素具有类似于独立摄像头的功能。入射光通过馈电喇叭、过滤器和对极化敏感的组件，最终到达半导体制成的辐射热测定器。这些热测定器在遇到辐射时会发热，热量反应了电阻的变化，然后可由读出电路感知并处理。尽管该系统可以使用，但像素被证明很难制成天文学家所需的大型阵列。加州理工学院（Caltech）和JPL的实验宇宙学家杰米•博克（Jamie Bock）曾称：“像素中每个组件都有其个性，必须全面检测才能进行手工装配，这使其难度犹如制作一个巨大的焦平面一样。”另一个关键部分是布线。为降低噪声，辐射热测定器须冷却到低于1开。但在某种情况下，信号须从冷冻的望远镜发射出来，进入到处于室温的电子元件。拥有的传感器越多，则线材越多，可以抵消低温设备冷却能力的传热元件也越多。

博克的团队为BICEP2找到了一种使用平面印制天线来实现像素所具备功能的方法。这种天线能通过光刻法实现量产。大部分图像处理的电子元件由超导电路组成，并进入到如同辐射热测定器一样的冷却状态。辐射热测定器也是由超导器件组成的。为减少布线量，像素须共享线路，并做到每次读取一个像素。有了这样的设置，该团队就能够建立一个包含512个超导传感器的系统，而BICEP只有98个半导体传感器。

为了在CMB上布阵，BICEP2的每个像素都通过交错的天线来收集进入的微波。其中一组收集含有χ组分的光子信号去做极化，另一组对У组分灵敏。这样得到的电磁信号沿着两条超导传输线路发送。每条线路最终到达一个包含所谓“跃迁边缘传感器”的小型电阻装置。信号的电流会产生热量，热量会改变电路的导电性。结果可读出，并由超导集成电路进行处理。

跃迁边缘传感器的得名是由于它在过渡区运转，那正是材料从其常规导电性（有电阻）跃升为超导性（无电阻）的区域。跃迁边缘传感器跨过此边缘，一路进行自我调节。当其温度下降时，电阻也会随之减少，于是更多电流流过，这又会导致其开始升温，从而使电阻增加。电压也是以这种方式施加的，即电阻增加实际上会减少耗散功率，从而降低温度。

厄文曾表示：“这是一部十分灵敏的仪器。”20年前他在斯坦福读研究生时就为开发此仪器而进行过研究。对于这些测量，他指出：“实际上，越灵敏越好。”在这里，检测器的灵敏度受光子进入时产生的散射噪声限制：即使天空中某个点的温度保持恒定，不同时间击中探测器的光子数量也会有波动，就因为它们的数量是有限的。

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如今，大部分同类B模式的搜寻试验，包括智利的“北极熊”和“南极点望远镜”（仅与BICEP2相距几米），都包含了相似的超导探测器。普朗克太空望远镜在BICEP2投入使用前不到一年发射，但它装备的是半导体极化传感器，因为在太空里的工程望远镜必须被尽早锁定。

位于蒙特利尔的麦吉尔大学的马特•多布斯（MattDobbs）称，下一步就要对这些类型的探测器进行电子部件的调试，以使其对更多的颜色敏感。多布斯是南极点望远镜B模式探测器的工作人员。BICEP2观察的是单一微波频率（150千兆赫）的光。但通过分解线路间的每个天线或像素所接收的信号，可以探测到更多颜色。集总元件滤波器（通过在硅晶圆上印制电路形成的简单电容和感应器）可用来过滤掉每条线路上的其他所有颜色，只留下一种，然后将信号传递给辐射热测定器进行探测。

南极点望远镜和“北极熊”已使探测灵敏度提高到针对CMB光的3个不同波长。多布斯称，接收到那些被遗弃的光子意味着灵敏度的“巨大飞跃”。

然而博克称，提高颜色敏感度对于望远镜光学系统来说是个挑战。他说，由于BICEP团队使用了更小型、更廉价的望远镜，因此建造更多的望远镜，并使每一个对不同的单一频率灵敏变得更容易。实际上，该团队已将BICEP3运到南极。BICEP3是单一颜色探测器，包含了2560个对95千兆赫光敏感的辐射热测定器。

无论使用哪种方法，天文学家都希望通过颜色敏感度的提高来进行一些基本的光谱分析。随着太空探索愈加深入，天文学家可将“前景”来源的极化光从CMB信号中分离出来，获知更多有关宇宙第一时间的信息。

作者：Rachel Courtland 

IEEE Spectrum

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