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    Contando fotones individuales a un ritmo sin precedentes

    1. Se absorbe un fotón, creando un par electrón-hueco (par portador). Crédito:Sean Kelley / NIST

    En las comunicaciones de alta gama del siglo XXI, la información viaja en forma de una corriente de pulsos de luz que normalmente viajan a través de cables de fibra óptica. Cada pulso puede ser tan tenue como un solo fotón, la unidad más pequeña posible (cuanto) de luz. La velocidad a la que pueden operar estos sistemas depende fundamentalmente de la rapidez y la precisión con que los detectores en el extremo receptor pueden discriminar y procesar esos fotones.

    Ahora, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han ideado un método que puede detectar fotones individuales a una velocidad 10 veces más rápida que la mejor tecnología existente. con tasas de error más bajas, mayor eficiencia de detección, y menos ruido.

    "Si bien la comunicación y la detección clásicas pueden funcionar a velocidades vertiginosas, sistemas cuánticos, que necesitan esa máxima sensibilidad para los pulsos más débiles, están limitados a velocidades mucho más bajas, ", dijo el líder del grupo Alan Migdall." Combinar esa máxima sensibilidad con la capacidad de lograr el conteo de fotones a altas tasas ha sido un desafío de larga data. Aquí estamos presionando ambos límites de rendimiento en el mismo dispositivo ".

    La innovación del NIST implica un rediseño importante del sistema electrónico de control que rodea a un detector de caballos de batalla llamado diodo de avalancha de fotón único (SPAD) en el que un fotón entrante desencadena una pequeña pero medible ráfaga de corriente a través de un semiconductor. Los SPAD se emplean no solo en comunicaciones ópticas, sino también en LIDAR (una contraparte de alta frecuencia del radar) y otros tipos de imágenes 3D, y en las tomografías por emisión de positrones, entre otros usos.

    2. El electrón y el agujero son acelerados por el voltaje de polarización aplicado. Crédito:Sean Kelley / NIST

    Se aplica un voltaje a través del semiconductor. Cuando un fotón golpea el detector, su energía absorbida expulsa un electrón de un átomo en el semiconductor, el mismo efecto fotoeléctrico que genera electricidad en los paneles solares.

    Ese electrón suelto es acelerado por el voltaje aplicado y causa una especie de reacción en cadena en la que un gran número de átomos adyacentes liberan una "avalancha" de electrones, al igual que una pequeña tensión adicional puede provocar el colapso de toda una ladera de nieve. Esa corriente de avalancha es la señal de salida. Finalmente, el dispositivo se reinicia apagando la corriente con un contravoltaje y restaurando el voltaje aplicado inicial. Debido a que la avalancha involucra una gran cantidad de electrones, Conseguir que todo el sistema vuelva a un estado silencioso en el que esté listo para detectar otro fotón es un desafío.

    Un SPAD convencional puede detectar de 1 millón a 10 millones de fotones por segundo. Eso puede parecer rápido pero no es suficiente para satisfacer las necesidades en desarrollo de las comunicaciones modernas. Subiendo la tasa sin embargo, ha sido problemático debido a las muchas compensaciones involucradas.

    3. El electrón acelerado suelta a otros electrones, creando una avalancha de pares de portadores. Crédito:Sean Kelley / NIST

    Por ejemplo, el grosor de la capa de absorción que golpea el fotón entrante determina la probabilidad de que el dispositivo atrape ese fotón entrante:absorbentes gruesos (alrededor de 0,1 mm, aproximadamente del ancho de un cabello humano) tienen una mayor probabilidad de captura de fotones debido a su mayor profundidad; las capas más delgadas tienen una mayor probabilidad de que el fotón pase sin ser detectado.

    Pero cuanto más grueso es el absorbente, cuanto mayor debe ser el voltaje aplicado. Y voltajes más altos pueden producir avalanchas más grandes, lo suficientemente grandes como para sobrecalentar el dispositivo, reduciendo la eficiencia de detección y aumentando el riesgo de "pulsos posteriores" espurios en los que los electrones sobrantes atrapados en el semiconductor desencadenan una avalancha secundaria después de que se restablece el SPAD.

    Para reducir los pulsos posteriores, es necesario reiniciar el sistema en dos nanosegundos (mil millonésimas de segundo) o menos. Los módulos convencionales que detectan la corriente y luego aplican el enfriamiento no pueden operar tan rápido, Limitando históricamente el rendimiento de los SPAD de absorbente grueso a aproximadamente 10 millones de cuentas por segundo o menos. En general, se ha asumido que los SPAD de absorbente grueso no son adecuados para conteos de tasas más altas.

    4. Esta avalancha produce una corriente de rápido crecimiento a través del cruce, que se puede detectar. Crédito:Sean Kelley / NIST

    Para superar esos problemas en un dispositivo de absorción espesa, el equipo del NIST, que informó sus resultados en Letras de física aplicada —Comenzó a experimentar con un sistema electrónico avanzado para un SPAD de absorción espesa disponible comercialmente.

    Como muchos de estos sistemas, el SPAD se activa y desactiva repetidamente, es decir, se restablece continuamente mediante una tensión alterna aplicada a alguna frecuencia. Como resultado, el período de tiempo más largo durante el cual el SPAD puede producir una avalancha es el intervalo de la puerta. "Las frecuencias de activación típicas para estos tipos de SPAD se han limitado a no más de 150 megahercios, "dijo el asociado del NIST Michael Wayne, primer autor del artículo de la revista. [1 MHz es un millón de ciclos por segundo].

    "Eso significa que el SPAD puede hacer una avalancha durante seis o siete nanosegundos, ", Dijo Wayne." Si bien esto puede no parecer mucho tiempo, es lo suficientemente largo para que el dispositivo se sature por completo con la carga, lo que aumenta las pulsaciones posteriores no deseadas, y se caliente lo suficiente a altas tasas de conteo para reducir su eficiencia de detección. La activación a una frecuencia más alta, acortando así la duración máxima de una avalancha, disminuiría ambos efectos. Pero debido a que no se permite que la avalancha crezca tanto tiempo, puede volverse demasiado pequeño para detectar el 'ruido' causado al abrir y cerrar la puerta ".

    5. A continuación, se reduce el voltaje de polarización, "apagar" el semiconductor para eliminar los pares de portadores existentes. Crédito:Sean Kelley / NIST

    Para superar ese problema, el equipo desarrolló un método similar a los auriculares con cancelación de ruido:aplicar una señal de radiofrecuencia que compensa exactamente el ruido. Eso les permitió operar el SPAD a mil millones de ciclos por segundo (un gigahercio, GHz).

    Restando el ruido dijo el líder del proyecto Joshua Bienfang, "podemos revelar avalanchas extremadamente pequeñas. Además, la alta frecuencia significa que la puerta está abierta por solo 500 picosegundos. [Una ps es una billonésima de segundo. 500 ps es medio nanosegundo.] Esto da como resultado una reducción en la corriente de avalancha promedio en aproximadamente un factor de 500, reduciendo los efectos de postpulso y autocalentamiento, y permitiéndonos contar a velocidades de hasta 100 millones por segundo ".

    6. Finalmente, la tensión de polarización vuelve a su estado inicial, reiniciando el dispositivo. Crédito:Sean Kelley / NIST

    "El nuevo diseño SPAD podría encontrar usos prácticos en las aplicaciones de la comunicación cuántica y la computación cuántica, "Dijo Migdall." Ambos ofrecen capacidades que no son posibles con la comunicación y la computación convencionales. Y ambas aplicaciones se beneficiarían de una detectores de fotón único de menor ruido ".

    "Es probable que este diseño novedoso afecte a una serie de aplicaciones cuánticas. Van desde la detección de fotón único, donde tasas de conteo más rápidas y menor ruido reducen el tiempo para las mediciones existentes, a la Internet cuántica emergente, que se basa fundamentalmente en la detección de fotón único para la comunicación cuántica y la computación cuántica. Se puede esperar que ambos tengan un impacto muy sustancial en nuestra sociedad y economía ".

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.




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