Os pesquisadores usam um design de nanofio supercondutor para contagem de fótons rápida e precisa.
Pesquisadores desenvolveram um novo detector que pode medir com precisão fótons individuais em taxas muito altas. O novo dispositivo pode ajudar a tornar prática a comunicação quântica de alta velocidade.
A comunicação quântica usa luz no nível do fóton único para enviar informações quânticas codificadas, como chaves de criptografia na distribuição de chaves quânticas. Devido às leis da física, os dados transmitidos desta forma permanecem seguros. O envio de informações em velocidades mais rápidas requer um único detector de fótons que pode não apenas detectar fótons rapidamente, mas também medir com precisão seus tempos de chegada.
Em Optica, a revista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto, pesquisadores liderados por Matthew D. Shaw no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA descrevem e demonstram seu novo detector para medir os tempos de chegada de fótons, que eles chamam de PEACOQ (matriz de desempenho aprimorado para contagem quanta óptico) detector.
“Nosso novo detector é feito de 32 nanofios supercondutores de nitreto de nióbio em um chip de silício, o que permite altas taxas de contagem com alta precisão”, disse o membro da equipe de pesquisa Ioana Craiciu, uma bolsista de pós-doutorado. “O detector foi projetado com a comunicação quântica em mente, pois esta é uma área tecnológica que foi limitada pelo desempenho dos detectores disponíveis.”
O detector foi desenvolvido como parte de um programa da NASA para habilitar novas tecnologias para comunicação quântica espaço-terra, o que pode permitir o compartilhamento de informações quânticas em distâncias intercontinentais no futuro. Este trabalho baseia-se na tecnologia desenvolvida para o projeto NASA Deep Space Optical Communication, que será a primeira demonstração de comunicação óptica de espaço livre a partir do espaço interplanetário.
“Atualmente não há outro detector que possa contar fótons únicos tão rapidamente com a mesma resolução de tempo”, disse Craiciu. “Sabemos que este detector será útil para a comunicação quântica, mas também esperamos que possa permitir outras aplicações que não consideramos.”
Comunicação quântica mais rápida
Acelerar as taxas de transmissão de comunicação quântica requer um detector na extremidade receptora que possa fazer medições rápidas e exibir um curto tempo morto para que possa lidar com uma alta taxa de chegada de fótons. O detector também deve medir com precisão o tempo de chegada dos fótons.
“Embora existam detectores que podem medir os tempos de chegada dos fótons com alta precisão, eles lutam para acompanhar quando os fótons chegam em rápida sucessão e podem perder alguns dos fótons ou errar os horários de chegada”, disse Craiciu. “Projetamos o detector PEACOQ para medir com precisão os tempos de chegada de fótons únicos, mesmo quando eles atingem o detector em alta velocidade. Também é eficiente – não perde muitos dos fótons.”
O detector PEACOQ é feito de nanofios com apenas 7,5 nm de espessura, ou cerca de 10.000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Operá-lo em temperaturas muito baixas – em torno de 1 Kelvin, ou -458 ° F – torna os nanofios supercondutores, o que significa que eles não têm resistência elétrica. Sob condições supercondutoras, qualquer fóton que atinge um fio tem uma boa chance de ser absorvido por esse fio. Qualquer fóton absorvido cria um ponto quente que aumenta a resistência elétrica do fio de forma detectável. Um computador junto com um conversor de tempo para digital é usado para registrar quando a resistência mudou e, portanto, quando um fóton chegou ao detector.
“Quando o detector mede um fóton, ele emite um pulso elétrico e o conversor de tempo para digital mede o tempo de chegada desse pulso elétrico com muita precisão, com uma resolução abaixo de 100 picossegundos ou 70 milhões de vezes mais rápido que um estalar de dedos. “, disse Craiciu. “Desenvolvemos um novo conversor de tempo para digital que pode medir até 128 canais de uma vez com essa resolução de tempo, o que é importante porque nosso detector precisa de 32 canais.”
Para demonstrar o novo detector, os pesquisadores o resfriaram para 1 Kelvin, instalando-o em um criostato. Eles usaram uma configuração de teste personalizada para enviar luz do criostato para o detector e uma cadeia de componentes eletrônicos para transmitir o sinal de saída do detector para fora do criostato, amplificá-lo e registrá-lo. Como são 32 nanofios, os pesquisadores tiveram que usar 32 conjuntos de cada componente, incluindo 32 cabos e 32 de cada tipo de amplificador.
Taxas de contagem sem precedentes
“Ficamos muito satisfeitos com o desempenho do detector”, disse Craiciu. “A taxa na qual ele pode medir fótons foi a mais alta que já vimos. Requer uma configuração complexa porque cada um dos 32 nanofios é lido individualmente, mas para aplicações onde você realmente precisa medir fótons em alta taxa com alta precisão, vale a pena.”
Normalmente, a informação quântica sendo transmitida é ajustada para um relógio, com cada informação codificada em um fóton e enviada em um tique. A precisão com que você pode medir o tempo de chegada dos fótons no receptor determina o quão próximos os tiques podem estar sem cometer erros e, portanto, determina a rapidez com que você pode enviar as informações. O novo detector torna prático realizar comunicação quântica com uma frequência de clock de última geração de 10 GHz.
Os pesquisadores ainda estão trabalhando para fazer melhorias no detector PEACOQ, que atualmente tem cerca de 80% de eficiência – o que significa que 20% dos fótons que atingem o detector não são medidos. Eles também planejam construir uma unidade receptora portátil que pode ser usada para experimentos de comunicação quântica. Ele conterá vários detectores PEACOQ junto com óptica, leitura eletrônica e um criostato.
Publicado em 01/02/2023 11h59
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