Andrei Nomerotski si è unito al Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per costruire una fotocamera da tre gigapixel per il Large Synoptic Survey Telescope (LSST), un enorme strumento che verrà installato nelle montagne del Cile per catturare le istantanee più profonde e ampie del cosmo fino ad oggi. L'LSST è l'obiettivo principale di Nomerotski, tuttavia riesce a trovare il tempo per eseguire un progetto parallelo a Brookhaven:sviluppare una fotocamera ultraveloce, chiamato TimepixCam, in grado di rilevare singoli fotoni o ioni per esperimenti di astrofisica e studi ancora più concreti in campi dalla biologia all'informatica quantistica.

"Per quello che ci risulta, questi sono i primi esperimenti che coinvolgono l'imaging di singoli fotoni con time stamping simultaneo a livello di pixel con una risoluzione temporale di 10 nanosecondi, " ha detto Nomerotski in un recente articolo che illustra le capacità di TimepixCam.

L'idea per lo sparatutto superveloce è nata quando Nomerotski lavorava all'Università di Oxford, sviluppare una fotocamera per chimici in grado di acquisire immagini e marcare l'ora dei frammenti molecolari volanti prodotti nella spettrometria di massa, una comune tecnica di identificazione chimica utilizzata nei laboratori.

"Quando sono arrivato a Brookhaven ho capito come realizzare questo tipo di fotocamera in un modo molto più semplice, " disse Nomerotski.

La sua ultima interpretazione ha un modesto array di 256 per 256 pixel, ma la sua velocità lo distingue, in esecuzione circa 4 milioni di volte più veloce di un iPhone che riprende video al rallentatore.

Mettere insieme i pezzi

Parte della chiave di questa incredibile velocità è il sensore al silicio della fotocamera, che Nomerotski stesso ha progettato. Ha uno strato conduttivo superficiale molto sottile e un rivestimento antiriflesso che gli consente di assorbire ogni possibile granello di luce e convertire in modo efficiente i fotoni in ingresso in segnali leggibili.

"Le caratteristiche ottiche dei sensori di immagine che realizziamo per la fotocamera LSST sono simili a quelle dei sensori al silicio che utilizziamo in TimepixCam. Ho usato la mia nuova esperienza in sensori ottici e astronomia per creare un nuovo sensore che possiamo collegare a un sensore esistente chip di lettura, " Lui ha spiegato.

Il resto delle parti della fotocamera è un amalgama di tecnologia preesistente proveniente da campi scientifici sparsi. I sensori sono prodotti in una fonderia a Barcellona. Ma l'omonimo chip di lettura Timepix, incollato sotto il sensore in ogni telecamera, viene dal laboratorio del Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN) di Ginevra.

"Ci sono molte somiglianze tra questa combinazione di sensore di silicio e chip di lettura e i rilevatori di pixel in ATLAS e CMS, due rivelatori per esperimenti di fisica delle grandi particelle al Large Hadron Collider del CERN, " ha detto Nomerotski. "L'elettronica della fotocamera è prodotta da un'altra azienda che sviluppa rilevatori per l'imaging a raggi X, " Ha aggiunto.

Dopo aver acquistato le lenti su eBay e aver creato un involucro utilizzando una stampante 3D, Il team di Nomerotski assembla le varie parti e testa ogni TimepixCam nel loro laboratorio a Brookhaven. Finora il gruppo ha realizzato tre telecamere.

Una miriade di usi

Quando le telecamere sono pronte, il gruppo collabora con altri scienziati che desiderano utilizzare TimepixCam nei propri esperimenti. Il gruppo di Michael White nel dipartimento di chimica di Brookhaven e il gruppo di Thomas Weinacht alla Stony Brook University utilizzano già la fotocamera per innovazioni nella spettrometria di massa di imaging, la stessa tecnica chimica su cui stava lavorando Nomerotski a Oxford.

"Per un po' ho pensato solo alle applicazioni nell'imaging chimico, " disse Nomerotski, "ma poi ho letto un paio di articoli che mi hanno guidato in una nuova direzione. Mi è venuto in mente che posizionando un intensificatore di immagini davanti alla fotocamera potrebbe essere utilizzato per l'immagine di singoli fotoni. Questo apre un dominio di applicazioni completamente diverso. "

Un singolo fotone è troppo debole perché la fotocamera possa vederlo da solo. Quindi l'intensificatore prende i fotoni in arrivo e li fa passare attraverso una serie di materiali che trasformano ogni particella di luce in un lampo più luminoso. Mentre la fotocamera rileva questo flash, registra anche l'ora.

"L'intensificatore è come un paio di occhiali per la visione notturna molto veloci, " ha spiegato Nomerotski.

Con questa aggiunta, TimepixCam può agire come uno strumento di imaging fluorescente, come ha dimostrato Nomerotski in un recente articolo. Questi tipi di strumenti possono, Per esempio, aiutare i biologi a esaminare le concentrazioni di ossigeno nelle cellule viventi per monitorare i processi metabolici, o aiutano a caratterizzare nuovi materiali come gli strati di raccolta della luce utilizzati nelle celle solari.

Inoltre, perché i singoli fotoni possono essere usati come 'qubit, ' la versione quantistica dei bit binari che trasportano le informazioni nei computer di oggi, Nomerotski pensa anche che TimepixCam potrebbe svolgere un ruolo nell'informatica quantistica e nei progressi della crittografia. Lo sta testando con il collaboratore Eden Figueroa della Stony Brook University.

Figueroa, specializzato in tecnologia dell'informazione quantistica, vuole utilizzare TimepixCam negli esperimenti di imaging utilizzando "fotoni entangled". I fotoni entangled non lo sono, come potrebbe sembrare, avvolti fisicamente l'uno intorno all'altro. Sono semplicemente consapevoli l'uno dell'altro, un fenomeno quantistico peculiare in cui qualsiasi misurazione di un fotone colpisce immediatamente l'altro, anche su lunghe distanze. Pertanto, quando viene misurato uno dei fotoni, le informazioni su quella misurazione vengono "teletrasportate" da un fotone all'altro. Ricercatori come Figueroa possono creare fotoni entangled nei laboratori e inviarli lungo normali cavi in ​​fibra ottica.

"I fotoni entangled vengono creati simultaneamente, quindi controllare che abbiano lo stesso timestamp è uno strumento potente per distinguere la coppia dai fotoni di sfondo, " ha detto Nomerotski. "TimepixCam può anche essere usato per misurare la distribuzione spaziale dei fotoni e per tenere traccia delle azioni delle fonti di entanglement e delle memorie quantistiche in tempo reale".

Accelerando in avanti

Come per tutti i progetti, c'è sempre spazio per andare oltre. Nomerotski spera di ridurre la risoluzione temporale del dispositivo fino a un nanosecondo, 20 milioni di volte più veloce di un singolo battito d'ali di un colibrì.

"Abbiamo appena testato la prossima generazione di questa fotocamera basata sull'ultimo chip di lettura Timepix, che ha una migliore risoluzione temporale, e ci sono anche altre cose da migliorare. I miei colleghi di Oxford hanno appena sviluppato una parte più veloce per l'intensificatore e potremmo testarla presto, " disse Nomerotski.

Un giorno l'obiettivo sarà rendere queste fotocamere ancora mille volte più veloci, che potrebbe aprire le porte a ancora più applicazioni, incluso un ritorno ai tipi di esperimenti di fisica delle particelle che originariamente hanno ispirato i chip di lettura Timepix. Dopotutto, quando fai scontrare particelle quasi alla velocità della luce, hai bisogno di una risoluzione temporale di prim'ordine per tracciare i pezzi subatomici che volano fuori.

"La fotocamera ha ottenuto ottimi risultati, " disse Nomerotski, "e vorrei migliorare ancora di più la velocità, di un altro uno o due ordini di grandezza, per raggiungere l'intera gamma di applicazioni."

Il lavoro di Brookhaven sull'LSST è finanziato dal DOE Office of Science. Il lavoro di Nomerotski su TimepixCam è supportato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Brookhaven.

Coinvolgimento nella sicurezza informatica

La crittografia quantistica utilizza fotoni entangled come chiavi di crittografia, cifre che i computer si scambiano spiegando come codificare e decodificare le informazioni private. Le chiavi di crittografia quantistica hanno un ulteriore livello di protezione che non esiste nel mondo digitale ordinario. Le buffe regole della meccanica quantistica impongono che se qualcuno, o qualsiasi computer, intercetta e legge la chiave mentre è in transito, quell'azione altererà inevitabilmente il segnale, avvisando il mittente e il destinatario che il loro codice segreto è stato compromesso.