El cristal no lineal, ubicado debajo de la franja blanca a la izquierda del centro, convierte una combinación de luz de 1550 nm y luz de 920 nm (invisible) a una frecuencia de salida única de 577 nm, un amarillo brillante, sin añadir casi ningún ruido. Crédito:Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
Los científicos del NIST han logrado un récord mundial en la detección de la intensidad de una fuente de luz ultra tenue, igualando las capacidades de los instrumentos del espacio profundo en el Telescopio Espacial Hubble, pero operando 100 veces más rápido y con una precisión equivalente.
Lo hicieron en el curso del desarrollo de un "bus cuántico universal", un sistema novedoso que permite conexiones fotónicas entre componentes dispares de una computadora cuántica. cada uno de los cuales puede operar en un rango muy diferente y estrecho de frecuencia de fotones. El nuevo esquema de conversión de señal "proporciona un vínculo cuántico entre diferentes sistemas de materiales que operan a diferentes frecuencias, "dice Ivan Burenkov, primer autor de un nuevo informe de un equipo del Laboratorio de Medición Física del NIST publicado recientemente en Óptica Express .
Las computadoras convencionales administran datos de múltiples maneras en varios materiales:procesan información como cargas eléctricas en chips de silicio (pequeños transistores en circuitos integrados), guárdelo en forma magnética en discos duros, y transferirlo como fotones sobre líneas de fibra óptica. Similar, Los circuitos cuánticos pueden tener que transferir información a través de fotones entre puntos cuánticos, conjuntos de átomos, iones atrapados, u otros sistemas de materiales.
El problema es que cada uno de esos componentes responde a frecuencias de luz muy diferentes. Una señal producida por un componente, como un punto cuántico, puede tener que ser transferido a un ion atrapado que es sensible solo a fotones a una frecuencia mucho más alta que la señal de punto original. Cerrar esa brecha requiere un convertidor de frecuencia que pueda preservar los frágiles estados cuánticos de los fotones de la señal sin agregar ruido.
Al perseguir ese objetivo, los investigadores emplearon una técnica óptica llamada "conversión ascendente" en la que un fotón de energía relativamente baja, la señal de entrada, se combina con un haz de luz de "bombeo" y luego se encamina a través de un cristal especial "no lineal". Al pasar por el cristal las energías tanto de la entrada como de la bomba están unidas, produciendo un solo fotón de salida de una frecuencia más alta y, por lo tanto, de una energía más alta. (Ese es el "aumento" en la conversión ascendente).
Una dificultad persistente con la técnica es que el rayo de la bomba puede contener tanta energía que cuando golpea el cristal genera una gran cantidad de "ruido" en forma de fotones no deseados que pueden inundar los delicados estados cuánticos.
"Resolvimos ese problema cuando descubrimos que la separación entre la frecuencia de la bomba y la frecuencia de la señal debería ser bastante grande para obtener un convertidor ascendente relativamente silencioso, "Dice Burenkov.
El equipo del proyecto utilizó una viga de bombeo de luz de alta potencia a una longitud de onda estándar de telecomunicaciones de 1550 nanómetros (nm, mil millonésimas de metro), y lo fusionó con fotones de entrada en una longitud de onda del infrarrojo cercano de 920 nm. El fotón de salida convertido hacia arriba era un amarillo visible con una longitud de onda de 577 nm. La amplia separación entre esas longitudes de onda redujo sustancialmente la emisión de fondo.
La identificación de las formas de onda características del ruido de fondo de conversión ascendente (izquierda) y los recuentos oscuros (derecha) habilita un tipo de sistema de filtrado de señales que puede reducir errores en órdenes de magnitud. Las curvas rojas son formas de onda del detector que se filtran; Se aceptan curvas azules. Crédito:Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
Pero eso aún dejaba la formidable dificultad de detectar y medir los restantes, extremadamente pequeño, antecedentes. Los investigadores encontraron que su convertidor ascendente produce fotones de fondo a una velocidad de aproximadamente 100 por hora. Eso corresponde en escala a la tenue luz proveniente de los objetos astronómicos distantes más tenues.
Capturar y caracterizar una luz tan débil requiere un detector de fotones exquisitamente sensible. El equipo empleó un dispositivo, desarrollado en NIST's Boulder, Colo., instalaciones, llamado sensor de borde de transición (TES). Funciona a 0,1 kelvin por encima del cero absoluto, y contiene una fina capa de material superconductor a través de la cual fluye una pequeña corriente. Cuando un fotón golpea la hebra, sube brevemente la temperatura, provocando un pico en la resistencia eléctrica y una caída correspondiente en la corriente que se registra como una forma de onda. Diferentes longitudes de onda producen formas de onda que son notablemente diferentes, y esa diferencia se puede utilizar para distinguir el ruido. Los científicos del NIST pudieron calibrar el TES determinando qué formas de onda estaban asociadas con diferentes longitudes de onda de fotones de fondo.
Incluso eso, sin embargo, no fue suficiente para caracterizar completamente el fondo porque los detectores TES, como todos los diseños de sensores de fotón único, están sujetos a una fuente persistente de error llamada "recuento oscuro", una señal que se registra cuando no hay ningún fotón presente, debido a efectos térmicos aleatorios o de otro tipo en el detector.
El diseño del convertidor del equipo permite que el detector se ejecute de una manera que resulte en una tasa de recuento de oscuridad muy reducida. Porque la alta energía, los fotones de salida convertidos hacia arriba se registran como picos más grandes en el detector que la mayoría de los recuentos oscuros de baja energía, es posible ajustar el sistema de detección para que filtre todas las señales que caen por debajo de un cierto umbral de energía. De esa manera, muchas señales espúreas se descartan antes de ser contadas. Pero quedaba por encontrar una manera de distinguir los recuentos oscuros restantes de los fotones de fondo.
Para lograr eso, los científicos registraron 10, 000 formas de onda de fotones convertidos, así como las formas de onda del ruido de fondo solo y las formas de onda de los recuentos oscuros solo. Descubrieron que tanto los fotones de fondo como los recuentos oscuros tenían formas de onda distintivamente diferentes en amplitud y forma de los fotones de salida convertidos hacia arriba. y ajustó el sistema detector para rechazar ambos.
El resultado fue una disminución de mil veces en la tasa de recuento de oscuridad, lo que hizo posible que el equipo hiciera mediciones con luz tenue con una precisión absoluta récord en una fracción del tiempo requerido anteriormente.
"En el telescopio espacial Hubble, recopilan datos sobre objetos extremadamente débiles del espacio profundo durante unos meses, ", dice el coautor Sergey Polyakov." Recopilamos datos comparables durante menos de 24 horas, pero con igual o mejor precisión ".
El esquema de conversión ascendente se puede utilizar para diferentes longitudes de onda con las modificaciones apropiadas. Finalmente, Burenkov dice:podría convertirse en un bus cuántico universal.
