Una nueva cámara superconductora de 400.000 píxeles proporciona una visión sin precedentes del universo

La nueva cámara superconductora de 400.000 píxeles proporciona capacidades sin precedentes en imágenes de alta resolución y bajo ruido para aplicaciones de astronomía y tecnología cuántica.

En la búsqueda de cuerpos celestes débiles, como estrellas distantes y exoplanetas, cada uno es capturado Fotón Es esencial maximizar el retorno científico de la misión. Las cámaras utilizadas para esta tarea deben funcionar con niveles de ruido muy bajos y detectar cantidades de luz mínimas, es decir, fotones individuales.

Históricamente, aunque las cámaras superconductoras cumplen los requisitos de bajo ruido y alta sensibilidad, se han visto limitadas por su pequeño tamaño, a menudo de sólo unos pocos miles de píxeles, lo que limita su capacidad para capturar imágenes de alta resolución. Sin embargo, un gran avance de un equipo de investigación ha roto recientemente esta barrera, creando una cámara superconductora que contiene 400.000 píxeles. Este avance permite detectar señales astronómicas débiles en una amplia gama, desde longitudes de onda ultravioleta hasta infrarroja.

La cámara superconductora de 400.000 píxeles se basa en detectores superconductores de fotón único hechos de nanocables. Crédito: Adam McCaughan/NIST

Aunque existen muchas otras tecnologías de cámaras, las cámaras que utilizan detectores superconductores son muy atractivas para su uso en misiones astronómicas debido a su funcionamiento con muy poco ruido. Al fotografiar fuentes débiles, es importante que la cámara informe honestamente la cantidad de luz recibida y no sesgue la cantidad de luz recibida ni inyecte señales falsas propias. Los detectores superconductores pueden realizar esta tarea debido a su funcionamiento a baja temperatura y su composición única. Como describió el líder del proyecto, el Dr. Adam McCaughan, «Con estos detectores, se pueden recopilar datos durante todo el día, capturar miles de millones de fotones, y menos de diez de esos fotones serán ruido».

Los miembros del equipo del NIST Bakhrom Orebov (izquierda) y Ryan Morgenstern (derecha) montan la cámara superconductora en un escenario criogénico especializado. Crédito: Adam McCaughan/NIST

Pero si bien los detectores superconductores son muy prometedores para aplicaciones astronómicas, su uso en este campo se ha visto obstaculizado por el pequeño tamaño de las cámaras que permiten relativamente pocos píxeles. Debido a que estos detectores son tan sensibles, es difícil colocar muchos de ellos en un área pequeña sin que interfieran entre sí. Además, dado que estos detectores deben mantenerse fríos en un refrigerador refrigerado, solo se pueden usar unos pocos cables para transmitir señales desde la cámara a los dispositivos electrónicos de lectura más calientes.

Para superar estas limitaciones, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). NASA laboratorio de propulsión a chorro (Laboratorio de propulsión a chorro), y la Universidad de Colorado Boulder aplicó la técnica de multiplexación en el dominio del tiempo para interrogar matrices de detectores de fotón único superconductores 2D (SNSPD). Los cables SNSPD individuales están dispuestos en filas y columnas cruzadas. Cuando llega el fotón, se miden los tiempos que tardan en encenderse el detector de fila y el detector de columna para confirmar qué píxel envió la señal. Este método permite que la cámara codifique de manera eficiente sus numerosas filas y columnas en unos pocos cables de lectura en lugar de miles de cables.

Esta animación muestra el sistema de lectura recientemente desarrollado que permitió a los investigadores construir una cámara superconductora de un solo cable de 400.000, la cámara de mayor resolución de su tipo. Crédito: s. Kelly/NIST

Los SNSPD son un tipo de detector en una familia de varias tecnologías de detectores superconductores, incluidos los detectores de inducción cinética de microondas (MKID), los sensores de borde de transición (TES) y los detectores de capacitancia cuántica (QCD). Los SNSPD son únicos porque pueden funcionar a temperaturas mucho más cálidas que las temperaturas de mikelvin requeridas por estas otras técnicas y pueden tener una precisión de sincronización muy buena, aunque no pueden analizar el color de fotones individuales. Los SNSPD han sido investigados en colaboración por el NIST, el JPL y otros miembros de la comunidad durante casi dos décadas, y este último trabajo sólo fue posible gracias a los avances realizados por la comunidad más amplia de detectores superconductores.

Una vez que el equipo implementó esta arquitectura de lectura, inmediatamente les resultó fácil crear cámaras superconductoras con una gran cantidad de píxeles. Como lo describe el líder técnico, el Dr. Bakhrom Orebov, «el gran avance aquí es que los detectores son verdaderamente independientes, por lo que si desea una cámara con más píxeles, simplemente agregue más detectores al chip». Los investigadores señalan que aunque su último proyecto fue un dispositivo con 400.000 píxeles, también tienen próximamente una demostración de un dispositivo con más de 1 millón de píxeles, y aún no se ha encontrado un límite superior.

Miembros del Jet Propulsion Laboratory trabajan con dos prototipos de refrigeradores que se utilizarán para probar una cámara superconductora en longitudes de onda ultravioleta lejanas. De izquierda a derecha, Emmanuel Knerr, Boris Korze, Jason Almaras y Andrew Bayer. Crédito de la imagen: Boris Korze/NASA JPL

Una de las cosas más interesantes para las que los investigadores creen que podría ser útil su cámara es la búsqueda de planetas similares a la Tierra fuera de nuestro sistema solar. Para observar con éxito estos planetas, los futuros telescopios espaciales observarán estrellas distantes y buscarán pequeños fragmentos de luz reflejada o emitida provenientes de los planetas que orbitan. Detectar y analizar estas señales es muy difícil y requiere exposiciones muy largas, lo que significa que cada fotón captado por el telescopio es valioso. Una cámara fiable y silenciosa será fundamental para detectar estas cantidades tan pequeñas de luz.

Las cámaras SNSPD también se pueden utilizar en la Tierra para detectar señales de comunicación óptica de misiones en el espacio profundo. De hecho, la NASA está demostrando actualmente esta capacidad con el proyecto Deep Space Optical Communications (DSOC), la primera demostración de comunicaciones ópticas en el espacio libre desde el espacio interplanetario. DSOC envía datos desde una nave espacial llamada Psyche, que se lanzó el 13 de octubre y está en camino al asteroide Psyche, a una estación terrestre basada en el SNSPD en el Observatorio Palomar. Los enlaces ópticos pueden transmitir datos a una velocidad mucho mayor que los enlaces de radiofrecuencia desde distancias interplanetarias. La excelente resolución de sincronización de la cámara desarrollada para la estación terrestre que recibe datos de Psyche le permite decodificar datos ópticos de la nave espacial, lo que permite recibir muchos más datos en un tiempo determinado que si se utilizaran señales de radio.

Estos sensores también serán útiles para muchas aplicaciones en la Tierra. Debido a que la longitud de onda operativa de esta cámara es muy flexible, se puede optimizar para aplicaciones de imágenes biomédicas para detectar señales débiles de células y moléculas, que antes eran indetectables. «Nos gustaría poner estas cámaras en manos de neurocientíficos», señaló el Dr. McCaughan. Esta tecnología podría proporcionarles una nueva herramienta para estudiar nuestro cerebro, de una forma completamente no intrusiva.

Por último, el campo de rápido crecimiento de la tecnología cuántica, que promete cambiar la forma en que protegemos las comunicaciones y las transacciones, así como la forma en que simulamos y optimizamos procesos complejos, también se beneficiará de esta apasionante tecnología. Se puede utilizar un solo fotón para transmitir o calcular una sola pieza de información cuántica. Actualmente, muchas empresas y gobiernos están intentando ampliar las computadoras cuánticas, los enlaces de comunicaciones y el acceso a una cámara de fotón único que pueda ampliarse fácilmente, uno de los principales obstáculos para liberar todo el potencial de las tecnologías cuánticas.

Según el equipo de investigación, los próximos pasos serán realizar esta demostración inicial y optimizarla para aplicaciones espaciales. «Por el momento, tenemos una demostración de prueba de concepto, pero tendremos que mejorarla para mostrar todo su potencial», afirma el Dr. Boris Korze, codirector del proyecto. Actualmente, el equipo de investigación está planificando demostraciones de cámaras ultraeficientes que validarán la utilidad de esta nueva tecnología tanto en luz ultravioleta como infrarroja.