Em comunicações de ponta do século 21, a informação viaja na forma de um fluxo de pulsos de luz, normalmente viajando através de cabos de fibra ótica. Cada pulso pode ser tão fraco quanto um único fóton, a menor unidade possível (quantum) de luz. A velocidade em que tais sistemas podem operar depende criticamente de quão rápido e com que precisão os detectores na extremidade receptora podem discriminar e processar esses fótons.

Agora, os cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um método que pode detectar fótons individuais a uma taxa 10 vezes mais rápida do que a melhor tecnologia existente, com taxas de erro mais baixas, maior eficiência de detecção, e menos ruído.

"Embora a comunicação e detecção clássicas possam operar em velocidades vertiginosas, sistemas quânticos, que precisam daquela sensibilidade final para aqueles pulsos mais fracos, são limitados a velocidades muito mais baixas, "disse o líder do grupo, Alan Migdall." Combinar essa sensibilidade final com a capacidade de obter a contagem de fótons em altas taxas tem sido um desafio de longa data. Aqui, estamos empurrando os dois limites de desempenho, tudo no mesmo dispositivo. "

A inovação do NIST envolve um grande redesenho do sistema eletrônico de controle em torno de um detector de laborioso chamado Single Photon Avalanche Diode (SPAD), no qual um fóton que entra dispara uma pequena, mas mensurável, explosão de corrente através de um semicondutor. SPADs são empregados não apenas em comunicações ópticas, mas também em lidar (uma contraparte de alta frequência do radar) e outros tipos de imagens 3D, e em PET scans, entre outros usos.

Uma tensão é aplicada ao semicondutor. Quando um fóton atinge o detector, sua energia absorvida chuta um elétron de um átomo no semicondutor - o mesmo efeito fotoelétrico que gera eletricidade em painéis solares.

Esse elétron solto é acelerado pela voltagem aplicada e causa uma espécie de reação em cadeia na qual um grande número de átomos adjacentes libera uma "avalanche" de elétrons, assim como um pequeno estresse adicional pode fazer com que uma montanha inteira de neve entre em colapso. Essa corrente de avalanche é o sinal de saída. Finalmente, o dispositivo é reinicializado extinguindo a corrente com uma contra-tensão e restaurando a tensão inicial aplicada. Como a avalanche envolve um grande número de elétrons, colocar todo o sistema de volta em um estado silencioso, onde está pronto para detectar outro fóton, é um desafio.

Um SPAD convencional pode detectar de 1 milhão a 10 milhões de fótons por segundo. Isso pode parecer rápido, mas não é suficiente para atender às necessidades em desenvolvimento das comunicações modernas. Aumentando a taxa, Contudo, tem sido problemático por causa dos muitos trade-offs envolvidos.

Por exemplo, a espessura da camada de absorção que o fóton de entrada atinge determina a probabilidade de o dispositivo capturar esse fóton de entrada:absorvedores espessos (cerca de 0,1 mm, cerca da largura de um cabelo humano) têm uma probabilidade maior de captura de fótons devido à sua maior profundidade; camadas mais finas têm uma chance maior de que o fóton passe sem ser detectado.

Mas quanto mais espesso o absorvedor, quanto maior a tensão aplicada precisa ser. E tensões mais altas podem produzir avalanches maiores - grandes o suficiente para superaquecer o dispositivo, reduzindo a eficiência de detecção, bem como aumentando o risco de "pulsos posteriores" espúrios, nos quais elétrons remanescentes presos no semicondutor desencadeiam uma avalanche secundária após o SPAD ser reiniciado.

Para reduzir as pulsações posteriores, é necessário reiniciar o sistema em dois nanossegundos (bilionésimos de segundo) ou menos. Módulos convencionais que detectam a corrente e, em seguida, aplicam a têmpera não podem operar tão rápido, historicamente limitando o desempenho de SPADs de absorção espessa a cerca de 10 milhões de contagens por segundo ou menos. Em geral, foi assumido que os SPADS de absorção espessa não são adequados para contagens de taxas mais altas.

Para superar esses problemas em um dispositivo de absorção espessa, a equipe do NIST - que relatou seus resultados em Cartas de Física Aplicada - começou a experimentar um sistema eletrônico avançado para um absorvedor espesso SPAD disponível no mercado.

Como muitos desses sistemas, o SPAD é "fechado" e ligado repetidamente - isto é, ele é reiniciado continuamente por uma voltagem alternada aplicada em alguma frequência. Como resultado, o período de tempo mais longo durante o qual o SPAD pode produzir uma avalanche é o intervalo de portão. "As frequências de disparo típicas para esses tipos de SPADs foram limitadas a não mais do que 150 megahertz, "disse o associado do NIST Michael Wayne, primeiro autor no artigo de jornal. [1 MHz é um milhão de ciclos por segundo.]

"Isso significa que o SPAD é capaz de avalanche por seis ou sete nanossegundos, "Wayne disse." Embora isso possa não parecer muito tempo, é longo o suficiente para que o dispositivo fique totalmente saturado com carga - o que aumenta a pós-pulsação indesejada - e fique quente o suficiente em altas taxas de contagem para diminuir sua eficiência de detecção. O disparo em uma frequência mais alta - encurtando assim a duração máxima de uma avalanche - diminuiria esses dois efeitos. Mas porque a avalanche não pode crescer por tanto tempo, pode se tornar muito pequeno para detectar o 'ruído' causado pela abertura e fechamento do portão. "

Para superar esse problema, a equipe desenvolveu um método semelhante aos fones de ouvido com cancelamento de ruído:aplicando um sinal de radiofrequência que compensa exatamente o ruído. Isso permitiu que operassem o SPAD a um bilhão de ciclos por segundo (um gigahertz, GHz).

Subtraindo o ruído, disse o líder do projeto, Joshua Bienfang, "podemos revelar avalanches extremamente pequenas. Além disso, a alta frequência significa que o portão está aberto por apenas 500 picossegundos. [Um ps é um trilionésimo de segundo. 500 ps é meio nanossegundo.] Isso resulta em uma redução na corrente de avalanche média em cerca de um fator de 500, diminuindo os efeitos de pós-pulsação e de autoaquecimento, e nos permitindo contar a taxas de até 100 milhões por segundo. "

"O novo design do SPAD pode encontrar usos práticos nas aplicações de comunicação quântica e computação quântica, "Migdall disse." Ambos oferecem recursos que não são possíveis com comunicação e computação convencionais. E ambos os aplicativos se beneficiariam de mais rapidez, detectores de fóton único de baixo ruído. "

"Este novo design provavelmente terá impacto em uma série de aplicações quânticas. Eles variam de detecção de fóton único, onde taxas de contagem mais rápidas e ruído mais baixo reduzem o tempo para as medições existentes, para a emergente internet quântica, que se baseia criticamente na detecção de fóton único para comunicação quântica e computação quântica. Pode-se esperar que ambos tenham um impacto muito substancial em nossa sociedade e economia. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.