Andrei Nomerotski juntou-se ao Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA para construir uma câmera de três gigapixels para o Large Synoptic Survey Telescope (LSST), um instrumento enorme que será instalado nas montanhas do Chile para capturar os instantâneos mais profundos e amplos do cosmos até hoje. O LSST é o foco principal de Nomerotski, ainda assim, ele consegue encontrar tempo para executar um projeto paralelo em Brookhaven:desenvolver uma câmera ultrarrápida, chamado TimepixCam, que pode detectar fótons ou íons individuais para experimentos astrofísicos e estudos ainda mais realistas em campos que vão da biologia à computação quântica.

"Para nosso conhecimento, estes são os primeiros experimentos que envolvem a geração de imagens de fótons únicos com carimbo de tempo simultâneo no nível do pixel com resolução de tempo de 10 nanossegundos, "Nomerotski disse em um artigo recente ilustrando as capacidades da TimepixCam.

A ideia do atirador super rápido surgiu quando Nomerotski estava trabalhando na Universidade de Oxford, desenvolver uma câmera para químicos que pudesse registrar a imagem e a data e hora dos fragmentos moleculares voadores produzidos em espectrometria de massa, uma técnica de identificação química comum usada em laboratórios.

"Quando vim para Brookhaven, descobri como fazer esse tipo de câmera de uma maneira muito mais simples, "Nomerotski disse.

Sua versão mais recente tem um modesto array de 256 por 256 pixels, mas sua velocidade o diferencia, rodando cerca de 4 milhões de vezes mais rápido do que um iPhone gravando vídeos em câmera lenta.

Juntando as peças

Parte da chave para essa velocidade incrível é o sensor de silício da câmera, que o próprio Nomerotski projetou. Tem uma camada condutora de superfície muito fina e um revestimento anti-reflexo que permite absorver todas as partículas de luz possíveis e converter de forma eficiente os fótons em sinais legíveis.

"As características ópticas dos sensores de imagem que fazemos para a câmera LSST são semelhantes às dos sensores de silício que usamos na TimepixCam. Usei minha nova experiência em sensores ópticos e astronomia para criar um novo sensor que podemos anexar a um existente chip de leitura, " ele explicou.

O resto das partes da câmera são um amálgama de tecnologia pré-existente de campos dispersos da ciência. Os sensores são fabricados em uma fundição em Barcelona. Mas o chip de leitura Timepix homônimo, colado embaixo do sensor em cada câmera, vem do laboratório do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra.

"Existem muitas semelhanças entre esta combinação de sensor de silício de chip de leitura e os detectores de pixel em ATLAS e CMS, dois detectores para experimentos de física de partículas grandes no Large Hadron Collider do CERN, "disse Nomerotski." Os eletrônicos da câmera são feitos por outra empresa que desenvolve detectores para imagens de raios-X, " ele adicionou.

Depois de comprar lentes no eBay e criar um invólucro usando uma impressora 3-D, A equipe de Nomerotski monta as várias peças e testa cada TimepixCam em seu laboratório em Brookhaven. Até agora, o grupo fez três câmeras.

Uma miríade de usos

Quando as câmeras estiverem prontas, o grupo colabora com outros cientistas que desejam usar o TimepixCam em seus próprios experimentos. O grupo de Michael White no departamento de química de Brookhaven e o grupo de Thomas Weinacht na Stony Brook University já usam a câmera para inovações em espectrometria de massa de imagem, a mesma técnica química na qual Nomerotski estava trabalhando em Oxford.

"Por um tempo, pensei apenas em aplicações em imagens químicas, "disse Nomerotski, "mas então li alguns artigos que me guiaram em uma nova direção. Ocorreu-me que, ao colocar um intensificador de imagem na frente da câmera, ele poderia ser usado para capturar imagens de fótons individuais. Isso abre um domínio de aplicações completamente diferente. "

Um único fóton é muito fraco para a câmera ver sozinho. Assim, o intensificador pega os fótons que chegam e os passa por uma série de materiais que transformam cada partícula de luz em um flash mais brilhante. Conforme a câmera pega este flash, também registra o tempo.

"O intensificador é como um par de óculos de visão noturna muito rápidos, "Nomerotski explicou.

Com esta adição, TimepixCam pode atuar como uma ferramenta de imagem fluorescente, como Nomerotski demonstrou em um artigo recente. Esses tipos de ferramentas podem, por exemplo, ajudam os biólogos a observar as concentrações de oxigênio nas células vivas para rastrear processos metabólicos, ou ajudar a caracterizar novos materiais, como as camadas de coleta de luz usadas nas células solares.

Além disso, porque fótons únicos podem ser usados ​​como 'qubits, 'a versão quântica dos bits binários que transportam informações nos computadores de hoje, Nomerotski também acredita que a TimepixCam pode desempenhar um papel na computação quântica e avanços na criptografia. Ele está testando isso com o colaborador Eden Figueroa, da Stony Brook University.

Figueroa, que se especializou em tecnologia da informação quântica, deseja usar o TimepixCam em experimentos de imagem usando "fótons emaranhados". Fótons emaranhados não são, como pode parecer, fisicamente enrolados um no outro. Eles simplesmente estão cientes um do outro, um fenômeno quântico peculiar em que qualquer medição de um fóton afeta imediatamente o outro, mesmo em longas distâncias. Assim, quando qualquer um dos fótons é medido, as informações sobre essa medição são "teletransportadas" de um fóton para o outro. Pesquisadores como Figueroa podem criar fótons emaranhados em laboratórios e enviá-los por cabos de fibra óptica regulares.

"Fótons emaranhados são criados simultaneamente, portanto, verificar se eles têm o mesmo carimbo de data / hora é uma ferramenta poderosa para distinguir o par dos fótons de fundo, "Nomerotski disse." TimepixCam também pode ser usado para medir a distribuição espacial de fótons e para manter o controle das ações de fontes de emaranhamento e memórias quânticas em tempo real. "

Acelerando para frente

Como em todos os projetos, sempre há espaço para ir mais longe. Nomerotski espera reduzir a resolução de tempo do dispositivo para um nanossegundo - 20 milhões de vezes mais rápido do que uma única batida das asas de um colibri.

"Acabamos de testar a próxima geração desta câmera com base no mais recente chip de leitura Timepix, que tem melhor resolução de tempo, e também há outras coisas a melhorar. Meus colegas em Oxford acabaram de desenvolver uma parte mais rápida para o intensificador e podemos testá-la em breve, "Nomerotski disse.

Algum dia, o objetivo será tornar essas câmeras outras mil vezes mais rápidas, o que poderia abrir portas para ainda mais aplicativos - incluindo um retorno aos tipos de experimentos de física de partículas que originalmente inspiraram os chips de leitura Timepix. Afinal, quando você colide partículas quase à velocidade da luz, você precisa de uma resolução de tempo de alto nível para rastrear as peças subatômicas que voam para fora.

"A câmera obteve resultados muito bons, "disse Nomerotski, "e eu gostaria de melhorar ainda mais a velocidade, por outra uma ou duas ordens de magnitude, para alcançar toda a gama de aplicações. "

O trabalho de Brookhaven no LSST é financiado pelo DOE Office of Science. O trabalho de Nomerotski na TimepixCam é apoiado pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Brookhaven.

Emaranhamento em segurança cibernética

A criptografia quântica usa fótons emaranhados como chaves de criptografia - cifras que os computadores enviam uns aos outros explicando como codificar e decodificar informações privadas. As chaves de criptografia Quantum têm uma camada extra de proteção que não existe no mundo digital comum. As regras engraçadas da mecânica quântica ditam que se alguém - ou qualquer computador - intercepta e lê a chave enquanto ela está em trânsito, essa ação inevitavelmente alterará o sinal, alertando o remetente e o destinatário de que seu código secreto foi comprometido.