Il cristallo non lineare, situato sotto la striscia bianca a sinistra del centro, converte una combinazione di luce di 1550 nm e luce di 920 nm (invisibile) in una singola frequenza di uscita di 577 nm, un giallo brillante, aggiungendo quasi nessun rumore. Credito:Istituto nazionale di standard e tecnologia
Gli scienziati del NIST hanno raggiunto un record mondiale nel rilevamento dell'intensità di una sorgente di luce ultra-debole, eguagliando le capacità degli strumenti dello spazio profondo sul telescopio spaziale Hubble ma operando 100 volte più velocemente e con una precisione equivalente.
Lo hanno fatto nel corso dello sviluppo di un "bus quantistico universale", un nuovo sistema per consentire connessioni fotoniche tra i diversi componenti di un computer quantistico, ognuno dei quali può operare a una gamma molto diversa e ristretta di frequenza dei fotoni. Il nuovo schema di conversione del segnale "fornisce un collegamento quantistico tra diversi sistemi di materiali che operano a frequenze diverse, "dice Ivan Burenkov, primo autore in un nuovo rapporto di un team del Physical Measurement Laboratory del NIST recentemente pubblicato in Ottica Express .
I computer convenzionali gestiscono i dati in più modi in vari materiali:elaborano le informazioni come cariche elettriche nei chip di silicio (piccoli transistor nei circuiti integrati), conservarlo in forma magnetica su hard disk, e trasferirlo come fotoni su linee in fibra ottica. Allo stesso modo, i circuiti quantistici potrebbero dover trasferire informazioni tramite fotoni tra punti quantici, insiemi di atomi, ioni intrappolati, o altri sistemi di materiali.
Il problema è che ciascuno di questi componenti risponde a frequenze di luce molto diverse. Un segnale prodotto da un componente, come un punto quantico, potrebbe dover essere trasferito a uno ione intrappolato che è sensibile solo ai fotoni a una frequenza molto più alta del segnale del punto originale. Colmare questo divario richiede un convertitore di frequenza in grado di preservare i fragili stati quantistici dei fotoni del segnale senza aggiungere rumore.
Nel perseguire tale obiettivo, i ricercatori hanno impiegato una tecnica ottica chiamata "up-conversion" in cui un fotone a energia relativamente bassa - il segnale di ingresso - è combinato con un raggio di luce "a pompa" e quindi instradato attraverso uno speciale cristallo "non lineare". Passando attraverso il cristallo, le energie sia dell'ingresso che della pompa sono unite, producendo un singolo fotone in uscita di frequenza maggiore e quindi di energia maggiore. (Questo è il "su" in up-conversion.)
Una difficoltà persistente con la tecnica è che il raggio della pompa può contenere così tanta potenza che quando colpisce il cristallo genera una grande quantità di "rumore" sotto forma di fotoni indesiderati che possono sommergere i delicati stati quantistici.
"Abbiamo risolto questo problema quando abbiamo scoperto che la separazione tra la frequenza della pompa e la frequenza del segnale dovrebbe essere piuttosto ampia per ottenere un up-converter relativamente silenzioso, " dice Burenkov.
Il team del progetto ha utilizzato un fascio di pompaggio continuo, luce ad alta potenza a una lunghezza d'onda standard delle telecomunicazioni di 1550 nanometri (nm, miliardesimi di metro), e lo ha unito con i fotoni in ingresso a una lunghezza d'onda del vicino infrarosso di 920 nm. Il fotone di uscita convertito era un giallo visibile con una lunghezza d'onda di 577 nm. L'ampia separazione tra quelle lunghezze d'onda ha sostanzialmente ridotto l'emissione di fondo.
L'identificazione delle forme d'onda caratteristiche del rumore di fondo di conversione (sinistra) e dei conteggi scuri (destra) consente un tipo di sistema di filtraggio del segnale in grado di ridurre gli errori per ordini di grandezza. Le curve rosse sono forme d'onda del rivelatore che vengono filtrate; le curve blu sono accettate. Credito:Istituto nazionale di standard e tecnologia
Ma ciò lasciava ancora la formidabile difficoltà di rilevare e misurare il rimanente, estremamente piccolo, sfondo. I ricercatori hanno scoperto che il loro convertitore di frequenza produce fotoni di sfondo alla velocità di appena 100 all'ora. Ciò corrisponde in scala alla debole luce proveniente dai più deboli oggetti astronomici distanti.
Catturare e caratterizzare una luce così debole richiede un rivelatore di fotoni squisitamente sensibile. Il team ha utilizzato un dispositivo, sviluppato al NIST's Boulder, col., città universitaria, chiamato sensore del bordo di transizione (TES). Funziona a 0,1 kelvin sopra lo zero assoluto, e contiene un sottile strato di materiale superconduttore attraverso il quale scorre una piccola corrente. Quando un fotone colpisce il filamento, alza brevemente la temperatura, provocando un picco di resistenza elettrica e un corrispondente calo di corrente che viene registrato come forma d'onda. Diverse lunghezze d'onda producono forme d'onda che sono notevolmente diverse, e quella differenza può essere usata per distinguere il rumore. Gli scienziati del NIST sono stati in grado di calibrare il TES determinando quali forme d'onda erano associate a diverse lunghezze d'onda dei fotoni di fondo.
Anche quello, però, non era sufficiente per caratterizzare completamente il fondo perché i rivelatori TES, come tutti i modelli di sensori a fotone singolo, sono soggetti a una persistente fonte di errore chiamata "conteggio oscuro" - un segnale che viene registrato quando non è effettivamente presente alcun fotone, a causa di effetti termici casuali o di altro tipo nel rivelatore.
Il design del convertitore del team consente di far funzionare il rilevatore in un modo che si traduce in un tasso di conteggio scuro molto ridotto. Perché l'alta energia, i fotoni di uscita convertiti si registrano come picchi più grandi nel rivelatore rispetto alla maggior parte dei conteggi oscuri a bassa energia, è possibile regolare il sistema di rilevamento in modo che filtri tutti i segnali che scendono al di sotto di una certa soglia di energia. In questo modo molti segnali spuri vengono scartati prima di essere contati. Ma restava da trovare un modo per distinguere i restanti conteggi scuri dai fotoni di sfondo.
Per realizzare ciò, gli scienziati hanno registrato 10, 000 forme d'onda da fotoni convertiti, così come le forme d'onda del solo rumore di fondo e le forme d'onda dei soli conteggi scuri. Hanno scoperto che sia i fotoni di sfondo che i conteggi scuri avevano forme d'onda nettamente diverse per ampiezza e forma dai fotoni di uscita convertiti, e ha regolato il sistema di rilevamento per rifiutare entrambi.
Il risultato è stato una diminuzione di mille volte del tasso di conteggio scuro, che ha permesso al team di effettuare misurazioni in condizioni di scarsa illuminazione con una precisione assoluta da record in una frazione del tempo precedentemente richiesto.
"Sul telescopio spaziale Hubble, raccolgono dati su oggetti dello spazio profondo estremamente deboli per alcuni mesi, ", afferma il co-autore Sergey Polyakov. "Raccogliamo dati comparabili per meno di 24 ore, ma con uguale o addirittura migliore precisione."
Lo schema di up-conversion può essere utilizzato per diverse lunghezze d'onda con le opportune modifiche. Infine, Burenkov dice, potrebbe diventare un bus quantistico universale.
