Come la Cina ha costruito un rivelatore a fotone singolo che funziona nello spazio

Un'immagine del cielo notturno sulla Cina. Unsplash / Gregory Hayes

Uno degli usi emergenti dei singoli fotoni è quello di impacchettarli con informazioni quantistiche e inviarli in un'altra posizione. Questa tecnica, nota come comunicazione quantistica, sfrutta le leggi della fisica per assicurarsi che le informazioni non possano essere lette da nessun intercettatore.

Una sfida è trovare il modo di inviare queste informazioni quantistiche in tutto il mondo. È difficile perché l'informazione è fragile: qualsiasi interazione tra i fotoni e il loro ambiente la distrugge. I fotoni non possono viaggiare per più di un centinaio di chilometri attraverso l'atmosfera o attraverso le fibre ottiche senza che le informazioni quantistiche che trasportano vengano distrutte.

Quindi i fisici cinesi hanno escogitato una soluzione alternativa: trasmettere i fotoni a un satellite in orbita, che li trasmette a un'altra posizione sulla superficie terrestre. In questo modo è possibile ridurre al minimo il disagevole passaggio attraverso l'atmosfera. Se i fotoni vengono trasmessi da stazioni terrestri ad alta quota, il loro viaggio avviene principalmente attraverso il vuoto dello spazio vuoto.

Ma c'è un problema. La comunicazione quantistica richiede rivelatori in grado di individuare e misurare singoli fotoni. Negli ultimi anni, i fisici hanno progettato e costruito dispositivi sempre più sensibili in grado di farlo.

Tuttavia, questa sensibilità li rende vulnerabili a qualsiasi tipo di rumore di fondo, che può sopraffare il segnale dei fotoni stessi. E lo spazio è pieno di rumori indesiderati sotto forma di particelle ad alta energia, temperature estreme e luce estranea proveniente da fonti come il sole.

Costruire rivelatori a fotone singolo in grado di operare in questo ambiente è una sfida significativa. Quindi non sorprende che i fisici si siano grattati la testa su questo problema per un po' di tempo.

Oggi, Meng Yang e colleghi dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Hefei affermano di aver risolto il problema. Hanno persino testato la loro macchina negli ultimi due anni su un satellite in orbita e dicono che funziona bene.

Il rilevatore del team sfrutta un fenomeno noto come rottura da valanga, che si verifica nei chip semiconduttori in circostanze speciali. Un semiconduttore come il silicio conduce corrente elettrica sotto forma di elettroni liberi e lacune che possono muoversi attraverso il reticolo del materiale sotto l'influenza di un campo elettrico.

In circostanze normali, questi portatori di carica sono legati al reticolo e quindi non possono muoversi. In queste circostanze, il materiale funge da isolante.

Ma se un elettrone viene liberato, forse da fluttuazioni termiche o da un calcio di un fotone incidente, può viaggiare attraverso la struttura, creando una corrente. In queste circostanze, il materiale diventa un conduttore

Naturalmente, un singolo elettrone liberato in questo modo crea una minuscola corrente difficile da rilevare. Quindi il trucco con la rottura da valanga è impostare una tensione che acceleri rapidamente un elettrone libero a velocità sufficientemente elevate da liberare altri elettroni conduttori. Questo crea una reazione a catena, una valanga, che si traduce in una corrente molto più grande e più facilmente rilevabile.

Negli ultimi anni, i fisici hanno reso questi dispositivi così sensibili che un singolo fotone di una specifica lunghezza d'onda può innescare questo tipo di valanga. Il risultato è un rivelatore a fotone singolo in grado di individuare la maggior parte dei fotoni che lo colpiscono.

Tuttavia, questa sensibilità ha un prezzo. È facile vedere come una particella ad alta energia possa strappare un fotodiodo al silicio, espellendo elettroni e innescando una valanga. E nello spazio, questo tipo di effetto crea così tanto rumore di fondo, chiamato tasso di conteggio oscuro, che inonda il segnale dei fotoni che i fisici sperano di misurare.

Quindi il compito di Yang e compagni era trovare modi per proteggere e migliorare le prestazioni dei rilevatori di fotoni singoli commerciali standard in modo che potessero operare nello spazio.

La loro prima soluzione è stata semplice: circondare il rivelatore con una schermatura che blocca le particelle ad alta energia. Questo è un delicato atto di bilanciamento perché la schermatura è pesante e quindi costosa da mettere in orbita. L'interazione tra la schermatura e le particelle ad alta energia può anche creare piogge di particelle secondarie che peggiorano ulteriormente il conteggio del tasso di oscurità.

Yang e compagni alla fine si stabilirono per uno scudo composto da due strati. Lo strato esterno è un foglio di alluminio di 12 millimetri e lo strato interno è un foglio di 4 mm dell'elemento tantalio molto più denso e pesante. Lo schermo risultante riduce la dose di radiazioni di un fattore 2,5.

Questa schermatura funge anche da isolante termico, che consente al team di raffreddare i rivelatori a -15 °C. Ciò riduce anche il numero di oscurità riducendo al minimo le fluttuazioni termiche nel rivelatore al silicio.

Infine, il team ha sviluppato driver elettronici che disattivano i rilevatori durante i periodi in cui sono vulnerabili al rumore di fondo, una tecnica nota come resistenza all'impulso.

L'effetto di tutti questi approcci è stato significativo. Per i rivelatori a fotone singolo non protetti, il tasso di conteggio oscuro previsto è superiore a 200 conteggi al secondo. Questo è troppo alto per la comunicazione quantistica nello spazio.

Tuttavia, i rilevatori modificati hanno una frequenza di conteggio oscuro di soli 0,54 conteggi al secondo. Sono due ordini di grandezza meglio.

Nel 2016, Yang e co hanno lanciato i loro rivelatori a bordo del satellite cinese Micius, un dimostratore di tecnologia quantistica che ha ottenuto una serie impressionante di scoperte. Ad esempio, i rivelatori sono stati una componente chiave nel teletrasporto del primo oggetto dalla Terra all'orbita, un singolo fotone nel 2017. Il satellite ha anche consentito la prima videochiamata quantistica crittografata tra i continenti.

Questi esperimenti hanno posto le basi per una nuova generazione di comunicazioni quantistiche basate sullo spazio. I nostri rilevatori di fotoni singoli aprono nuove finestre di opportunità per la ricerca spaziale e le applicazioni nelle comunicazioni ottiche dello spazio profondo, la portata del laser a fotoni singoli, nonché per testare i principi fondamentali della fisica nello spazio, affermano Yang e co.

Nel frattempo, il resto del mondo della fisica quantistica ha guardato con invidia. La Cina ha un chiaro vantaggio nella comunicazione quantistica spaziale, anche se con l'aiuto di ricercatori europei in aree chiave.

L'Europa sta lavorando a un dimostratore di tecnologia quantistica orbitante chiamato Security and Cryptographic mission, o SAGA. Questo fa parte di un piano molto più ampio per creare una rete di comunicazione quantistica in tutto il continente. Tuttavia, non è stata fissata alcuna data di lancio.

Al contrario, i piani degli Stati Uniti si sono arenati. Nel 2012, l'agenzia di ricerca sulla tecnologia militare DARPA ha avviato un programma chiamato Quiness per testare le tecnologie di comunicazione quantistica nello spazio. Ma il programma, e il settore in generale, ha sofferto di una grave mancanza di fondi.

Una domanda importante ora è come il resto del mondo, in particolare gli Stati Uniti, intende recuperare il ritardo.

Rif: arxiv.org/abs/1910.08161 : Rilevamento spaziale, a basso rumore, a fotone singolo per comunicazioni quantistiche satellitari

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