Andrei Nomerotski sloot zich aan bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om een ​​camera van drie gigapixel te bouwen voor de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), een enorm instrument dat in de bergen van Chili zal worden geïnstalleerd om de diepste en breedste snapshots van de kosmos tot nu toe vast te leggen. De LSST is de belangrijkste focus van Nomerotski, toch weet hij tijd te vinden om een ​​nevenproject in Brookhaven te runnen:het ontwikkelen van een ultrasnelle camera, genaamd TimepixCam, die afzonderlijke fotonen of ionen kan detecteren voor astrofysica-experimenten en zelfs meer nuchtere studies op gebieden van biologie tot kwantumcomputing.

"Voor zover we weten, dit zijn de eerste experimenten waarbij afzonderlijke fotonen worden afgebeeld met gelijktijdige tijdstempels op pixelniveau met een tijdresolutie van 10 nanoseconden, " zei Nomerotski in een recent artikel dat de mogelijkheden van TimepixCam illustreert.

Het idee voor de supersnelle shooter ontstond toen Nomerotski aan de universiteit van Oxford werkte, het ontwikkelen van een camera voor chemici die de vliegende moleculaire fragmenten die in massaspectrometrie worden geproduceerd, in beeld kan brengen en van een tijdstempel kan voorzien, een veelgebruikte chemische identificatietechniek die in laboratoria wordt gebruikt.

"Toen ik naar Brookhaven kwam, ontdekte ik hoe ik dit type camera op een veel eenvoudigere manier kon maken, ' zei Nomerotski.

Zijn laatste vertolking heeft een bescheiden array van 256 bij 256 pixels, maar zijn snelheid onderscheidt hem, ongeveer 4 miljoen keer sneller dan een iPhone die slow-motionvideo maakt.

De stukjes in elkaar zetten

Een deel van de sleutel tot deze ongelooflijke snelheid is de siliciumsensor van de camera, die Nomerotski zelf heeft ontworpen. Het heeft een zeer dunne geleidende oppervlaktelaag en een antireflectiecoating waardoor het elk mogelijk lichtpuntje kan absorberen en binnenkomende fotonen efficiënt kan omzetten in leesbare signalen.

"De optische kenmerken van beeldsensoren die we maken voor de LSST-camera zijn vergelijkbaar met die van de siliciumsensoren die we in TimepixCam gebruiken. Ik heb mijn nieuwe expertise in optische sensoren en astronomie gebruikt om een ​​nieuwe sensor te bedenken die we kunnen bevestigen aan een bestaande uitleeschip, " hij legde uit.

De rest van de onderdelen van de camera zijn een samensmelting van reeds bestaande technologie uit verspreide wetenschapsgebieden. De sensoren worden vervaardigd in een gieterij in Barcelona. Maar de gelijknamige Timepix-uitleeschip, gebonden onder de sensor in elke camera, komt uit het laboratorium van het European Centre for Nuclear Research (CERN) in Genève.

"Er zijn veel overeenkomsten tussen deze uitleeschip-siliciumsensorcombinatie en de pixeldetectoren in ATLAS en CMS, twee detectoren voor experimenten met grote deeltjesfysica bij CERN's Large Hadron Collider, " zei Nomerotski. "De elektronica van de camera is gemaakt door weer een ander bedrijf dat detectoren ontwikkelt voor röntgenbeeldvorming, " hij voegde toe.

Na het kopen van lenzen op eBay en het maken van een behuizing met een 3D-printer, Het team van Nomerotski assembleert de verschillende onderdelen en test elke TimepixCam in hun laboratorium in Brookhaven. Tot nu toe heeft de groep drie camera's gemaakt.

Een groot aantal toepassingen

Als de camera's klaar zijn, de groep werkt samen met andere wetenschappers die TimepixCam willen gebruiken in hun eigen experimenten. De groep van Michael White op de scheikundeafdeling van Brookhaven en de groep van Thomas Weinacht aan de Stony Brook University gebruiken de camera al voor innovaties op het gebied van beeldvormingsmassaspectrometrie, dezelfde scheikundetechniek waar Nomerotski aan werkte in Oxford.

"Een tijdje dacht ik alleen aan toepassingen in chemische beeldvorming, " zei Nomerotski, "Maar toen las ik een paar artikelen die me in een nieuwe richting leidden. Het kwam bij me op dat door een beeldversterker voor de camera te plaatsen, deze zou kunnen worden gebruikt om afzonderlijke fotonen in beeld te brengen. Dat opent een heel ander domein van toepassingen. "

Een enkel foton is te zwak om alleen door de camera te kunnen zien. Dus de versterker neemt binnenkomende fotonen op en stuurt ze door een reeks materialen die elk lichtdeeltje in een helderdere flits veranderen. Terwijl de camera deze flits oppikt, het registreert ook de tijd.

"De versterker is als een zeer snelle nachtkijker, " legde Nomerotski uit.

Met deze toevoeging TimepixCam kan fungeren als een hulpmiddel voor fluorescerende beeldvorming, zoals Nomerotski in een recent artikel aantoonde. Dit soort tools kunnen bijvoorbeeld, biologen helpen kijken naar zuurstofconcentraties in levende cellen om metabolische processen te volgen, of helpen bij het karakteriseren van nieuwe materialen zoals de lichtoogstlagen die in zonnecellen worden gebruikt.

In aanvulling, omdat enkele fotonen kunnen worden gebruikt als 'qubits, ' de kwantumversie van de binaire bits die informatie bevatten in de computers van vandaag, Nomerotski denkt ook dat TimepixCam een ​​rol kan spelen in quantum computing en vooruitgang in cryptografie. Hij test dit samen met medewerker Eden Figueroa van Stony Brook University.

Figueroa, die gespecialiseerd is in kwantuminformatietechnologie, wil TimepixCam gebruiken in beeldvormingsexperimenten met behulp van "verstrengelde fotonen". Verstrengelde fotonen zijn niet, zoals het lijkt, fysiek om elkaar heen gewikkeld. Ze kennen elkaar gewoon, een eigenaardig kwantumfenomeen waarbij elke meting van het ene foton onmiddellijk het andere beïnvloedt, zelfs over lange afstanden. Dus wanneer een van beide foton wordt gemeten, informatie over die meting wordt "geteleporteerd" van het ene foton naar het andere. Onderzoekers zoals Figueroa kunnen in laboratoria verstrengelde fotonen maken en deze langs gewone glasvezelkabels sturen.

"Verstrengelde fotonen worden gelijktijdig gecreëerd, dus controleren of ze hetzelfde tijdstempel hebben is een krachtig hulpmiddel om het paar te onderscheiden van de achtergrondfotonen, "Zei Nomerotski. "TimepixCam kan ook worden gebruikt om de ruimtelijke verdeling van fotonen te meten en om de acties van verstrengelingsbronnen en kwantumgeheugens in realtime bij te houden."

Vooruit rijden

Zoals bij alle projecten, er is altijd ruimte om verder te gaan. Nomerotski hoopt de tijdresolutie van het apparaat terug te brengen tot één nanoseconde - 20 miljoen keer sneller dan een enkele slag van de vleugels van een kolibrie.

"We hebben zojuist de volgende generatie van deze camera getest op basis van de nieuwste Timepix-uitleeschip, die een betere timingresolutie heeft, en er zijn ook andere dingen te verbeteren. Mijn collega's in Oxford hebben zojuist een sneller onderdeel voor de versterker ontwikkeld en dat kunnen we binnenkort testen, ' zei Nomerotski.

Op een dag zal het doel zijn om deze camera's nog eens duizend keer sneller te maken, wat deuren zou kunnen openen voor nog meer toepassingen, waaronder een terugkeer naar de soorten deeltjesfysica-experimenten die oorspronkelijk de Timepix-uitleeschips inspireerden. Ten slotte, als je deeltjes botst met bijna de snelheid van het licht, je hebt een eersteklas tijdresolutie nodig om de subatomaire stukken te volgen die eruit vliegen.

"De camera heeft hele mooie resultaten opgeleverd, " zei Nomerotski, "en ik zou de snelheid nog meer willen verbeteren, met nog een of twee ordes van grootte, om het volledige scala aan toepassingen te bereiken."

Het werk van Brookhaven aan de LSST wordt gefinancierd door het DOE Office of Science. Nomerotski's werk aan TimepixCam wordt ondersteund door Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development Program.

Verstrikking in cyberbeveiliging

Kwantumcodering maakt gebruik van verstrengelde fotonen als coderingssleutels - cijfers die computers elkaar sturen en uitleggen hoe privé-informatie moet worden gecodeerd en gedecodeerd. Quantum-encryptiesleutels hebben een extra beschermingslaag die in de gewone digitale wereld niet bestaat. De grappige regels van de kwantummechanica dicteren dat als iemand - of een computer - de sleutel onderschept en leest terwijl deze onderweg is, die actie zal onvermijdelijk het signaal veranderen, de afzender en ontvanger waarschuwen dat hun geheime code is gecompromitteerd.