Os cientistas do NIST alcançaram um recorde mundial na detecção da intensidade de uma fonte de luz ultra-fraca, igualando as capacidades dos instrumentos do espaço profundo no Telescópio Espacial Hubble, mas operando 100 vezes mais rápido e com precisão equivalente.

Eles fizeram isso durante o desenvolvimento de um "barramento quântico universal" - um novo sistema para permitir conexões fotônicas entre componentes díspares de um computador quântico, cada um dos quais pode operar em uma faixa muito diferente e estreita de freqüência de fótons. O novo esquema de conversão de sinal "fornece uma ligação quântica entre diferentes sistemas de materiais operando em diferentes frequências, "diz Ivan Burenkov, primeiro autor de um novo relatório de uma equipe do Laboratório de Medição Física do NIST, publicado recentemente em Optics Express .

Os computadores convencionais gerenciam dados de várias maneiras em vários materiais:eles processam informações como cargas elétricas em chips de silício (minúsculos transistores em circuitos integrados), armazene-o na forma magnética em discos rígidos, e transferi-los como fótons através de linhas de fibra óptica. De forma similar, circuitos quânticos podem ter que transferir informações por meio de fótons entre pontos quânticos, conjuntos de átomos, íons presos, ou outros sistemas de materiais.

O problema é que cada um desses componentes responde a frequências de luz muito diferentes. Um sinal produzido por um componente, como um ponto quântico, pode ter que ser transferido para um íon aprisionado que é sensível apenas a fótons em uma frequência muito mais alta do que o sinal de ponto original. Preencher essa lacuna exige um conversor de frequência que possa preservar os estados quânticos frágeis dos fótons de sinal sem adicionar ruído.

Ao perseguir esse objetivo, os pesquisadores empregaram uma técnica óptica chamada "conversão ascendente", na qual um fóton de energia relativamente baixa - o sinal de entrada - é combinado com um feixe de luz "bombeado" e então encaminhado através de um cristal "não linear" especial. Ao passar pelo cristal, as energias da entrada e da bomba são unidas, produzindo um único fóton de saída de uma frequência mais alta e, portanto, de energia mais alta. (Esse é o "para cima" na conversão para cima.)

Uma dificuldade persistente com a técnica é que o feixe de bombeamento pode conter tanta energia que, quando atinge o cristal, gera uma grande quantidade de "ruído" na forma de fótons indesejados que podem inundar os delicados estados quânticos.

"Resolvemos esse problema quando descobrimos que a separação entre a frequência da bomba e a frequência do sinal deve ser bastante grande para obter um conversor ascendente relativamente silencioso, "Burenkov diz.

A equipe do projeto usou um feixe de bomba contínuo, luz de alta potência em um comprimento de onda de telecomunicações padrão de 1550 nanômetros (nm, bilionésimos de metro), e o mesclou com fótons de entrada em um comprimento de onda infravermelho próximo de 920 nm. O fóton de saída convertido era um amarelo visível com um comprimento de onda de 577 nm. A ampla separação entre esses comprimentos de onda reduziu substancialmente a emissão de fundo.

Mas isso ainda deixava a dificuldade formidável de detectar e medir o restante, extremamente pequeno, fundo. Os pesquisadores descobriram que seu conversor ascendente produz fótons de fundo a uma taxa de cerca de 100 por hora. Isso corresponde em escala à luz fraca que vem dos objetos astronômicos mais distantes e escuros.

Capturar e caracterizar essa luz fraca requer um detector de fótons extremamente sensível. A equipe empregou um dispositivo, desenvolvido em Boulder do NIST, Colo., campus, chamado de sensor de borda de transição (TES). É operado a 0,1 kelvin acima do zero absoluto, e contém uma fina camada de material supercondutor através do qual uma pequena corrente flui. Quando um fóton atinge a fita, aumenta brevemente a temperatura, causando um pico na resistência elétrica e uma queda correspondente na corrente que é registrada como uma forma de onda. Comprimentos de onda diferentes produzem formas de onda que são visivelmente diferentes, e essa diferença pode ser usada para distinguir o ruído. Os cientistas do NIST conseguiram calibrar o TES determinando quais formas de onda estavam associadas a diferentes comprimentos de onda de fótons de fundo.

Mesmo que, Contudo, não foi suficiente para caracterizar completamente o fundo porque os detectores TES, como todos os projetos de sensores de fóton único, estão sujeitos a uma fonte persistente de erro chamada de "contagem escura" - um sinal que é registrado quando nenhum fóton está realmente presente, devido a efeitos térmicos aleatórios ou outros efeitos no detector.

O design do conversor da equipe permite que o detector funcione de uma forma que resulte em uma taxa de contagem de escuridão muito reduzida. Porque a alta energia, os fótons de saída convertidos são registrados como picos maiores no detector do que a maioria das contagens de escuridão de baixa energia, é possível ajustar o sistema do detector para filtrar todos os sinais que caem abaixo de um determinado limite de energia. Dessa forma, muitos sinais espúrios são descartados antes de serem contados. Mas faltava encontrar uma maneira de distinguir as contagens escuras restantes dos fótons de fundo.

Para conseguir isso, os cientistas registraram 10, 000 formas de onda de fótons convertidos, bem como formas de onda apenas de ruído de fundo e formas de onda apenas de contagens escuras. Eles descobriram que tanto os fótons de fundo quanto as contagens escuras tinham formas de onda distintamente diferentes em amplitude e forma dos fótons de saída convertidos, e ajustou o sistema detector para rejeitar ambos.

O resultado foi uma diminuição de mil vezes na taxa de contagem de escuridão, o que possibilitou que a equipe fizesse medições de luz fraca com precisão absoluta recorde em uma fração do tempo anteriormente necessário.

"No Telescópio Espacial Hubble, eles coletam dados sobre objetos extremos do espaço profundo por alguns meses, "diz o co-autor Sergey Polyakov." Coletamos dados comparáveis ​​por menos de 24 horas, mas com precisão igual ou ainda melhor. "

O esquema de conversão ascendente pode ser usado para diferentes comprimentos de onda com as modificações apropriadas. Eventualmente, Burenkov diz, poderia se tornar um barramento quântico universal.