Nelle comunicazioni di fascia alta del 21° secolo, le informazioni viaggiano sotto forma di un flusso di impulsi luminosi che viaggiano tipicamente attraverso cavi in ​​fibra ottica. Ogni impulso può essere debole come un singolo fotone, la più piccola unità possibile (quanto) di luce. La velocità con cui tali sistemi possono funzionare dipende in modo critico dalla velocità e dalla precisione con cui i rivelatori sull'estremità ricevente possono discriminare ed elaborare quei fotoni.

Ora gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ideato un metodo in grado di rilevare i singoli fotoni a una velocità 10 volte più veloce della migliore tecnologia esistente, con tassi di errore inferiori, maggiore efficienza di rilevamento, e meno rumore.

"Mentre la comunicazione e il rilevamento classici possono funzionare a velocità incredibili, sistemi quantistici, che hanno bisogno della massima sensibilità per gli impulsi più deboli, sono limitati a velocità molto più basse, " ha affermato il leader del gruppo Alan Migdall. "Combinare la massima sensibilità con la capacità di ottenere il conteggio dei fotoni a velocità elevate è stata una sfida di vecchia data. Qui stiamo spingendo entrambi i limiti di prestazioni tutti nello stesso dispositivo."

L'innovazione del NIST comporta un'importante riprogettazione del sistema elettronico di controllo che circonda un rilevatore da lavoro chiamato Single Photon Avalanche Diode (SPAD) in cui un fotone in ingresso innesca un piccolo ma misurabile burst di corrente attraverso un semiconduttore. Gli SPAD sono impiegati non solo nelle comunicazioni ottiche, ma anche in lidar (una controparte ad alta frequenza del radar) e altri tipi di immagini 3D, e nelle scansioni PET, tra gli altri usi.

Viene applicata una tensione ai capi del semiconduttore. Quando un fotone colpisce il rivelatore, la sua energia assorbita espelle un elettrone da un atomo nel semiconduttore, lo stesso effetto fotoelettrico che genera elettricità nei pannelli solari.

Quell'elettrone sciolto viene accelerato dalla tensione applicata e provoca una sorta di reazione a catena in cui un gran numero di atomi adiacenti rilascia una "valanga" di elettroni proprio come un piccolo stress aggiunto può far crollare un'intera montagna di neve. Quella corrente di valanga è il segnale di uscita. Finalmente, il dispositivo viene ripristinato spegnendo la corrente con una controtensione e ripristinando la tensione applicata iniziale. Poiché la valanga coinvolge un numero così elevato di elettroni, riportare l'intero sistema in uno stato di quiete in cui è pronto per rilevare un altro fotone è impegnativo.

Uno SPAD convenzionale può rilevare da 1 a 10 milioni di fotoni al secondo. Può sembrare veloce, ma non è sufficiente per soddisfare le crescenti esigenze delle comunicazioni moderne. Alzando il tasso, però, è stato problematico a causa dei numerosi compromessi coinvolti.

Per esempio, lo spessore dello strato di assorbimento che colpisce il fotone in ingresso determina la probabilità che il dispositivo catturi quel fotone in ingresso:assorbitori spessi (circa 0,1 mm, della larghezza di un capello umano) hanno una maggiore probabilità di cattura di fotoni a causa della loro maggiore profondità; strati più sottili hanno una maggiore possibilità che il fotone passi inosservato.

Ma più spesso è l'assorbitore, maggiore deve essere la tensione applicata. E tensioni più elevate possono produrre valanghe più grandi, abbastanza grandi da surriscaldare il dispositivo, riducendo l'efficienza di rilevamento e aumentando il rischio di "postimpulsi" spuri in cui gli elettroni rimasti intrappolati nel semiconduttore innescano una valanga secondaria dopo il ripristino dello SPAD.

Per ridurre i postumi, è necessario resettare il sistema in due nanosecondi (miliardesimi di secondo) o meno. I moduli convenzionali che rilevano la corrente e quindi applicano l'estinzione non possono funzionare così velocemente, storicamente limitando le prestazioni degli SPAD ad alto spessore a circa 10 milioni di conteggi al secondo o meno. È stato generalmente ipotizzato che gli SPADS ad assorbimento di spessore non siano adatti a conteggi più elevati.

Per superare questi problemi in un dispositivo ad alto spessore, il team del NIST, che ha riportato i suoi risultati in Lettere di fisica applicata — ha iniziato a sperimentare un sistema elettronico avanzato per uno SPAD ad alto spessore disponibile in commercio.

Come molti di questi sistemi, lo SPAD viene "cancellato" ripetutamente, cioè viene ripristinato continuamente da una tensione alternata applicata a una certa frequenza. Di conseguenza, il periodo di tempo più lungo durante il quale lo SPAD può produrre una valanga è l'intervallo di gate. "Le tipiche frequenze di gating per questi tipi di SPAD sono state limitate a non più di 150 megahertz, " ha detto il socio del NIST Michael Wayne, primo autore dell'articolo di giornale. [1 MHz è un milione di cicli al secondo.]

"Ciò significa che lo SPAD è in grado di valanghe per sei o sette nanosecondi, " ha detto Wayne. "Anche se questo potrebbe non sembrare molto tempo, è abbastanza lungo da consentire al dispositivo di saturarsi completamente con la carica, il che aumenta la post-pulsazione indesiderata, e di riscaldarsi abbastanza a velocità di conteggio elevate da ridurre l'efficienza di rilevamento. Il gate a una frequenza più elevata, abbreviando così la durata massima di una valanga, ridurrebbe entrambi questi effetti. Ma poiché la valanga non può crescere così a lungo, può diventare troppo piccolo per rilevare il "rumore" causato dall'apertura e dalla chiusura del cancello."

Per superare quel problema, il team ha sviluppato un metodo simile alle cuffie con cancellazione del rumore:l'applicazione di un segnale a radiofrequenza che compensa esattamente il rumore. Ciò ha permesso loro di far funzionare lo SPAD a un miliardo di cicli al secondo (un gigahertz, GHz).

Sottraendo il rumore, ha affermato il capo progetto Joshua Bienfang, "siamo in grado di rilevare valanghe estremamente piccole. Inoltre, l'alta frequenza significa che il gate è aperto per soli 500 picosecondi. [Un ps è un trilionesimo di secondo. 500 ps è mezzo nanosecondo.] Ciò si traduce in una riduzione della corrente di valanga media di circa un fattore di 500, riducendo sia gli effetti di postpulsazione che di autoriscaldamento, e permettendoci di contare a velocità fino a 100 milioni al secondo."

"Il nuovo design SPAD potrebbe trovare usi pratici nelle applicazioni della comunicazione quantistica e del calcolo quantistico, " Ha detto Migdall. "Entrambi offrono funzionalità non possibili con la comunicazione e il calcolo convenzionali. Ed entrambe queste applicazioni trarrebbero vantaggio da una maggiore velocità, rivelatori di fotoni singoli a basso rumore."

"È probabile che questo nuovo design influisca su una serie di applicazioni quantistiche. Si va dal rilevamento di un singolo fotone, dove le velocità di conteggio più veloci e il rumore più basso riducono il tempo per le misurazioni esistenti, all'emergente Internet quantistico, che si basa in modo critico sul rilevamento di un singolo fotone per la comunicazione quantistica e il calcolo quantistico. Ci si può aspettare che entrambi abbiano un impatto molto sostanziale sulla nostra società e sulla nostra economia".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.