Cómo China construyó un detector de fotón único que funciona en el espacio

Una imagen del cielo nocturno sobre China. Unsplash / Gregory Hayes

Uno de los usos emergentes de los fotones individuales es empaquetarlos con información cuántica y enviarlos a otro lugar. Esta técnica, conocida como comunicación cuántica, explota las leyes de la física para asegurarse de que ningún intruso pueda leer la información.

Un desafío es encontrar formas de enviar esta información cuántica alrededor del mundo. Eso es difícil porque la información es frágil: cualquier interacción entre los fotones y su entorno la destruye. Los fotones no pueden viajar más de cien kilómetros a través de la atmósfera oa través de fibras ópticas sin que se destruya la información cuántica que transportan.

Entonces, a los físicos chinos se les ocurrió una solución: enviar los fotones a un satélite en órbita, que los transmite a otra ubicación en la superficie de la Tierra. De esta forma, se puede minimizar el incómodo paso por la atmósfera. Si los fotones se transmiten desde estaciones terrestres a gran altura, su viaje se realiza principalmente a través del vacío del espacio vacío.

Pero hay un problema. La comunicación cuántica requiere detectores que puedan detectar y medir fotones individuales. En los últimos años, los físicos han diseñado y construido dispositivos cada vez más sensibles que pueden hacer esto.

Sin embargo, esta sensibilidad los hace vulnerables a cualquier tipo de ruido de fondo, que puede abrumar la señal de los propios fotones. Y el espacio está lleno de ruido no deseado en forma de partículas de alta energía, temperaturas extremas y luz extraña de fuentes como el sol.

Construir detectores de un solo fotón que puedan operar en este entorno es un desafío importante. Por lo tanto, no sorprende que los físicos se hayan estado rascando la cabeza con este tema durante algún tiempo.

Hoy, Meng Yang y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei dicen que han resuelto el problema. Incluso han probado su máquina durante los últimos dos años en un satélite en órbita y dicen que funciona bien.

El detector del equipo aprovecha un fenómeno conocido como avería por avalancha, que se produce en los chips semiconductores en circunstancias especiales. Un semiconductor como el silicio conduce la corriente eléctrica en forma de electrones libres y huecos que pueden moverse a través de la red del material bajo la influencia de un campo eléctrico.

En circunstancias normales, estos portadores de carga están atados a la red y, por lo tanto, no pueden moverse. En estas circunstancias, el material actúa como aislante.

Pero si un electrón se libera, quizás por fluctuaciones térmicas o por el impulso de un fotón incidente, puede viajar a través de la estructura y crear una corriente. En estas circunstancias, el material se convierte en conductor.

Por supuesto, un solo electrón liberado de esta manera crea una pequeña corriente que es difícil de detectar. Entonces, el truco con la ruptura de avalancha es establecer un voltaje que acelere rápidamente un electrón libre a velocidades lo suficientemente altas como para liberar a otros electrones conductores. Esto crea una reacción en cadena, una avalancha, que da como resultado una corriente mucho más grande y más fácil de detectar.

En los últimos años, los físicos han hecho que estos dispositivos sean tan sensibles que un solo fotón de una longitud de onda específica puede desencadenar este tipo de avalancha. El resultado es un detector de un solo fotón capaz de detectar la mayoría de los fotones que lo golpean.

Sin embargo, esta sensibilidad tiene un precio. Es fácil ver cómo una partícula de alta energía puede atravesar un fotodiodo de silicio, expulsar electrones y desencadenar una avalancha. Y en el espacio, este tipo de efecto crea tanto ruido de fondo, llamado tasa de conteo oscuro, que inunda la señal de los fotones que los físicos esperan medir.

Por lo tanto, la tarea de Yang y compañía era encontrar formas de proteger y mejorar el rendimiento de los detectores comerciales de fotón único listos para usar para que puedan operar en el espacio.

Su primera solución fue sencilla: rodear el detector con un escudo que bloquea las partículas de alta energía. Este es un acto de equilibrio delicado porque el blindaje es pesado y, por lo tanto, costoso de poner en órbita. La interacción entre el blindaje y las partículas de alta energía también puede crear lluvias de partículas secundarias que hacen que la tasa de oscuridad cuente aún peor.

Yang y compañía finalmente se conformaron con un escudo que consta de dos capas. La capa exterior es una hoja de aluminio de 12 milímetros y la capa interior es una hoja de 4 mm del elemento tantalio, mucho más denso y pesado. El escudo resultante reduce la dosis de radiación en un factor de 2,5.

Este blindaje también actúa como aislante térmico, lo que permite que el equipo enfríe los detectores a -15 °C. Esto también reduce los conteos oscuros al minimizar las fluctuaciones térmicas en el detector de silicio.

Finalmente, el equipo desarrolló controladores electrónicos que apagan los detectores durante los períodos en que son vulnerables al ruido de fondo, una técnica conocida como resistencia de pulsación posterior.

El efecto de todos estos enfoques fue significativo. Para los detectores de un solo fotón sin protección, la tasa de conteo oscuro esperada es de más de 200 conteos por segundo. Esto es demasiado alto para la comunicación cuántica en el espacio.

Sin embargo, los detectores modificados tienen una tasa de conteo oscuro de solo 0,54 conteos por segundo. Eso es dos órdenes de magnitud mejor.

En 2016, Yang y compañía lanzaron sus detectores a bordo del satélite chino Micius, un demostrador de tecnología cuántica que ha logrado una impresionante serie de avances. Por ejemplo, los detectores fueron un componente clave en el teletransporte del primer objeto de la Tierra a la órbita: un solo fotón en 2017. El satélite también permitió la primera videollamada con cifrado cuántico entre continentes.

Estos experimentos han sentado las bases para una nueva generación de comunicación cuántica basada en el espacio. Nuestros detectores de fotón único abren nuevas ventanas de oportunidades para la investigación espacial y aplicaciones en comunicaciones ópticas en el espacio profundo, alcance láser de fotón único, así como para probar los principios fundamentales de la física en el espacio, dicen Yang y compañía.

Mientras tanto, el resto del mundo de la física cuántica ha mirado con envidia. China tiene una clara ventaja en la comunicación cuántica basada en el espacio, aunque con la ayuda de investigadores europeos en áreas clave.

Europa está trabajando en un demostrador de tecnología cuántica en órbita llamado Misión de seguridad y criptografía, o SAGA. Esto es parte de un plan mucho más grande para crear una red de comunicación cuántica en todo el continente. Sin embargo, no se ha fijado una fecha de lanzamiento.

Por el contrario, los planes estadounidenses se han estancado. En 2012, la agencia de investigación de tecnología militar DARPA inició un programa llamado Quiness para probar tecnologías de comunicación cuántica en el espacio. Pero el programa, y ​​el campo en general, ha sufrido una grave falta de financiación.

Una pregunta importante ahora es cómo el resto del mundo, particularmente los EE. UU., planea ponerse al día.

Ref: arxiv.org/abs/1910.08161 : Detección espacial, de bajo ruido y de fotón único para comunicaciones cuánticas basadas en satélites

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