Andrei Nomerotski se unió al Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. Para construir una cámara de tres gigapíxeles para el Gran Telescopio de Encuesta Sinóptica (LSST), un enorme instrumento que se instalará en las montañas de Chile para capturar las instantáneas más profundas y amplias del cosmos hasta la fecha. El LSST es el enfoque principal de Nomerotski, sin embargo, se las arregla para encontrar tiempo para ejecutar un proyecto paralelo en Brookhaven:desarrollar una cámara ultrarrápida, llamado TimepixCam, que puede detectar fotones individuales o iones para experimentos astrofísicos e incluso más estudios prácticos en campos que van desde la biología hasta la computación cuántica.

"Hasta donde sabemos, Estos son los primeros experimentos que involucran imágenes de fotones individuales con marcas de tiempo simultáneas a nivel de píxel con una resolución de tiempo de 10 nanosegundos. ", Dijo Nomerotski en un artículo reciente que ilustra las capacidades de TimepixCam.

La idea del tirador ultrarrápido surgió cuando Nomerotski trabajaba en la Universidad de Oxford, desarrollar una cámara para químicos que pudiera visualizar y marcar el tiempo de los fragmentos moleculares voladores producidos en espectrometría de masas, una técnica común de identificación química utilizada en los laboratorios.

"Cuando llegué a Brookhaven descubrí cómo hacer este tipo de cámara de una manera mucho más sencilla, "Dijo Nomerotski.

Su última versión tiene una modesta matriz de 256 por 256 píxeles, pero su velocidad lo distingue, corriendo aproximadamente 4 millones de veces más rápido que un iPhone grabando videos en cámara lenta.

Poniendo las piezas juntas

Parte de la clave de esta increíble velocidad es el sensor de silicio de la cámara, que Nomerotski diseñó él mismo. Tiene una capa conductora de superficie muy delgada y un recubrimiento antirreflectante que le permite absorber cada posible punto de luz y convertir eficientemente los fotones entrantes en señales legibles.

"Las características ópticas de los sensores de imagen que fabricamos para la cámara LSST son similares a las de los sensores de silicio que usamos en TimepixCam. Utilicé mi nueva experiencia en sensores ópticos y astronomía para crear un nuevo sensor que podamos conectar a un chip de lectura, " él explicó.

El resto de las partes de la cámara son una amalgama de tecnología preexistente de campos científicos dispersos. Los sensores se fabrican en una fundición de Barcelona. Pero el chip de lectura homónimo Timepix, unido debajo del sensor en cada cámara, proviene del laboratorio del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra.

"Hay muchas similitudes entre esta combinación de sensor de silicio y chip de lectura y los detectores de píxeles en ATLAS y CMS, dos detectores para experimentos de física de partículas grandes en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, ", dijo Nomerotski." Los componentes electrónicos de la cámara son fabricados por otra empresa que desarrolla detectores para imágenes de rayos X, "añadió.

Después de comprar lentes en eBay y crear una carcasa con una impresora 3D, El equipo de Nomerotski ensambla las diversas piezas y prueba cada TimepixCam en su laboratorio en Brookhaven. Hasta el momento el grupo ha realizado tres cámaras.

Una miríada de usos

Cuando las cámaras estén listas, el grupo colabora con otros científicos que quieren utilizar TimepixCam en sus propios experimentos. El grupo de Michael White en el departamento de química de Brookhaven y el grupo de Thomas Weinacht en la Universidad de Stony Brook ya usan la cámara para innovaciones en espectrometría de masas de imágenes, la misma técnica química en la que Nomerotski estaba trabajando en Oxford.

"Durante un tiempo, solo pensaba en aplicaciones en imágenes químicas, "dijo Nomerotski, "pero luego leí un par de artículos que me guiaron en una nueva dirección. Se me ocurrió que colocando un intensificador de imagen frente a la cámara podría usarse para obtener imágenes de fotones individuales. Eso abre un campo de aplicaciones completamente diferente. "

Un solo fotón es demasiado débil para que la cámara lo vea por sí solo. Entonces, el intensificador toma los fotones entrantes y los pasa a través de una serie de materiales que convierten cada partícula de luz en un destello más brillante. Cuando la cámara capta este flash, también registra la hora.

"El intensificador es como un par de gafas de visión nocturna muy rápidas, "Explicó Nomerotski.

Con esta adición, TimepixCam puede actuar como una herramienta de imágenes fluorescentes, como demostró Nomerotski en un artículo reciente. Este tipo de herramientas pueden, por ejemplo, ayudar a los biólogos a observar las concentraciones de oxígeno en las células vivas para rastrear los procesos metabólicos, o ayudar a caracterizar nuevos materiales como las capas de captación de luz utilizadas en las células solares.

Además, porque los fotones individuales se pueden usar como 'qubits, 'la versión cuántica de los bits binarios que transportan información en las computadoras de hoy, Nomerotski también cree que TimepixCam podría desempeñar un papel en la computación cuántica y los avances en criptografía. Lo está probando con el colaborador Eden Figueroa de la Universidad de Stony Brook.

Figueroa, que se especializa en tecnología de la información cuántica, quiere usar TimepixCam en experimentos de imágenes usando "fotones entrelazados". Los fotones entrelazados no lo son, como puede parecer, físicamente envueltos uno alrededor del otro. Simplemente son conscientes el uno del otro, un fenómeno cuántico peculiar en el que cualquier medida de un fotón afecta inmediatamente al otro, incluso en largas distancias. Por lo tanto, cuando se mide cualquier fotón, la información sobre esa medición se "teletransporta" de un fotón al otro. Investigadores como Figueroa pueden crear fotones entrelazados en laboratorios y enviarlos a lo largo de cables de fibra óptica normales.

"Los fotones entrelazados se crean simultáneamente, por lo que comprobar que tienen la misma marca de tiempo es una herramienta poderosa para distinguir el par de los fotones de fondo, ", Dijo Nomerotski." TimepixCam también se puede utilizar para medir la distribución espacial de fotones y realizar un seguimiento de las acciones de las fuentes de entrelazamiento y las memorias cuánticas en tiempo real ".

Acelerando hacia adelante

Como con todos los proyectos, siempre hay espacio para ir más lejos. Nomerotski espera reducir la resolución de tiempo del dispositivo a un nanosegundo, 20 millones de veces más rápido que un solo latido de las alas de un colibrí.

"Acabamos de probar la próxima generación de esta cámara basada en el último chip de lectura Timepix, que tiene una mejor resolución de tiempo, y también hay otras cosas que mejorar. Mis colegas en Oxford acaban de desarrollar una pieza más rápida para el intensificador y es posible que lo probemos pronto, "Dijo Nomerotski.

Algún día, el objetivo será hacer que estas cámaras sean mil veces más rápidas, lo que podría abrir las puertas a más aplicaciones, incluido un regreso a los tipos de experimentos de física de partículas que inspiraron originalmente los chips de lectura Timepix. Después de todo, cuando chocas partículas a casi la velocidad de la luz, necesita una resolución de tiempo de primer nivel para rastrear las piezas subatómicas que vuelan.

"La cámara ha obtenido muy buenos resultados, "dijo Nomerotski, "y me gustaría mejorar aún más la velocidad, por otro uno o dos órdenes de magnitud, para alcanzar la gama completa de aplicaciones ".

El trabajo de Brookhaven en el LSST está financiado por la Oficina de Ciencias del DOE. El trabajo de Nomerotski en TimepixCam está respaldado por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Brookhaven.

Enredo en la seguridad cibernética

El cifrado cuántico utiliza fotones entrelazados como claves de cifrado, cifrados que las computadoras se envían entre sí para explicar cómo codificar y decodificar información privada. Las claves de cifrado cuántico tienen una capa adicional de protección que no existe en el mundo digital ordinario. Las divertidas reglas de la mecánica cuántica dictan que si alguien, o cualquier computadora, intercepta y lee la clave mientras está en tránsito, esa acción alterará inevitablemente la señal, alertar al remitente y al destinatario de que su código secreto ha sido comprometido.