Nature Index Japan 特刊采訪：濱松眼里的光子技術
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大部分中微子在不與地球發生任何相互作用的情況下穿過地球，但是有極少量的中微子會與水產生偶發的相互作用，釋放出比光速更快的粒子，并發生切倫科夫輻射，發出微弱藍光。然而，要探測這一微弱的閃光，需要將探測轉換后的電信號放大1000萬倍。
“當時最大的光電倍增管直徑是8英寸（20厘米），但我們需要的是一個20英寸（51厘米）的寬視場光電倍增管。”日本濱松集團首席執行官丸野正先生解釋說，“小柴教授向濱松集團尋求合作，共同開發這種全新的探測器。這是一項艱巨的挑戰，不僅在技術方面，而且所需的光電倍增管數量也很大——大約需要1000個?！?/span>
這只是濱松集團目前聞名于世的技術開發伙伴關系的其中一例。最終，小柴教授因這使用了濱松光電倍增管而完成的實驗被授予2002年諾貝爾物理學獎。2015年，另一項諾貝爾獎被授予小柴教授的繼任者梶田隆章，他利用一個由11000多支濱松光電倍增管組成的設備探測到了中微子振蕩的存在，從而證明了中微子有質量。
不僅僅是光學技術
濱松集團的光電子產品（如X射線管和一系列光探測器和激光）正應用于數百萬的醫療、工業和商業設備中，但為了對科學和社會做出貢獻，濱松集團也在著手應對物理學和先進光電子技術方面的重大挑戰。
“濱松集團從20世紀50年代開始生產真空光電倍增管，至今仍有成千上萬的光電倍增管被廣泛使用?！蓖枰氨硎荆霸?0年的歷史中，我們研發了眾多的設備，其中有許多獨特的、為特定研究或工業需求而研發的設備。我們是唯一一家能夠生產從X射線到紅外線的全光譜探測器和發射器的公司，我們也正在不斷突破我們中央研究實驗所的極限?！?/span>
濱松集團生產的獨特硅條探測器等部件是歐洲大型強子對撞機首次探測到希格斯玻色子（產生質量的亞原子粒子）的關鍵部件。這一期待已久的突破也在2013年被授予諾貝爾獎。
下一項前沿研究-ORCA-Quest
為了追求更靈敏的光探測，丸野踏上了數十年的旅程，現在的他已經實現了曾經難以想象的目標——在空間上解析光子的數量。
傳統的光電倍增管可以捕捉最微弱的光，并產生可用于分析的電信號，但這些光只能被解析為光子發射總數。對每個光子進行計數的能力將為研究開辟全新的可能性。
圖4 ORCA-Quest入圍2022國際光學“棱鏡獎”（Prism Awards）
消除噪聲
基于標準的半導體技術和制造方法，ORCA-Quest相機探測單個光子的能力可以歸功于幾乎為零的設備噪聲。在這一語境下，“噪聲”是指由設備的電子器件、半導體系統中的原子雜質、環境光源和其他光源造成的任何干擾。事實上，對于單光子來說，幾乎任何東西都可以產生足夠干擾單光子的噪音。
“我們的重點是減少噪音，這對探測單個光子而言至關重要。”丸野說，“通過減慢讀出電子并消除所有其他噪聲源，我們已成功地將噪聲降低到0.27電子的水平。我們希望通過未來的改進將其降至0.15電子，這將使我們能夠提高時間分辨率，超過目前每秒2萬個樣本的限制。”
這種可以在空間上解析光子數量的相機有望應用于眾多研究領域，包括對偶性、疊加和糾纏等量子現象的研究以及生物物理過程（如跟蹤單分子和超靈敏全內反射熒光顯微鏡）的研究。
圖5 丸野正及其濱松集團（相機）的工程團隊
為未來技術賦能
The contents of this page are a translation into Chinese of an article feature (URL:https://www.nature.com/articles/d42473-022-00454-x點擊下方“閱讀原文”，跳轉英文鏈接) that published in the "NatureIndex Japan" special issue of Nature (*) March 9, 2023. (Responsibility for the Chinese text: Hamamatsu Photonics K.K.). *Nature is an international, comprehensive scientific journal that communicates cutting-edge science to readers around the world. 
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