Andrei Nomerotski gick med i det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory för att bygga en kamera med tre gigapixlar för Large Synoptic Survey Telescope (LSST), ett massivt instrument som kommer att installeras i Chiles berg för att fånga de djupaste och bredaste ögonblicksbilderna av kosmos hittills. LSST är Nomerotskis huvudfokus, ändå lyckas han hitta tid att driva ett sidoprojekt i Brookhaven:utveckla en ultrasnabb kamera, kallas TimepixCam, som kan upptäcka antingen enstaka fotoner eller joner för astrofysiska experiment och ännu mer jordnära studier inom områden från biologi till kvantberäkning.

"Så vitt vi vet, detta är de första experimenten som involverar avbildning av enstaka fotoner med samtidig tidsstämpling på pixelnivå med 10 nanosekunders tidsupplösning, "Nomerotski sa i en ny tidning som illustrerar TimepixCams möjligheter.

Idén till den supersnabba skytten växte fram när Nomerotski arbetade vid Oxford University, utveckla en kamera för kemister som kan avbilda och tidsstämpla de flygande molekylfragmenten som produceras i masspektrometri, en vanlig teknik för kemisk identifiering som används i laboratorier.

"När jag kom till Brookhaven kom jag på hur man gör den här typen av kamera på ett mycket enklare sätt, "Sa Nomerotski.

Hans senaste version har en blygsam 256 x 256 pixlar array, men dess hastighet skiljer det åt, körs ungefär 4 miljoner gånger snabbare än en iPhone som spelar in slowmotion-video.

Att sätta ihop bitarna

En del av nyckeln till denna otroliga hastighet är kamerans kiselsensor, som Nomerotski designade själv. Den har ett mycket tunt ytledande lager och en antireflekterande beläggning som gör att den kan absorbera alla möjliga fläckar av ljus och effektivt omvandla inkommande fotoner till läsbara signaler.

"De optiska egenskaperna hos bildsensorer vi gör för LSST -kameran liknar de hos kiselsensorerna vi använder i TimepixCam. Jag använde min nya expertis inom optiska sensorer och astronomi för att komma med en ny sensor som vi kan fästa på en befintlig avläsningschip, " han förklarade.

Resten av kamerans delar är en sammanslagning av redan existerande teknik från spridda vetenskapsområden. Sensorerna tillverkas på ett gjuteri i Barcelona. Men det eponyma Timepix-avläsningschipet, fäst under sensorn i varje kamera, kommer från European Center for Nuclear Research (CERN) laboratorium i Genève.

"Det finns många likheter mellan denna avläsningschip-kiselsensorkombination och pixeldetektorerna i ATLAS och CMS, två detektorer för experiment med stora partiklar vid CERNs Large Hadron Collider, "sa Nomerotski." Kamerans elektronik tillverkas av ännu ett företag som utvecklar detektorer för röntgenbild, " han lade till.

Efter att ha köpt linser på eBay och skapat ett hölje med en 3D-skrivare, Nomerotskis team monterar de olika delarna och testar varje TimepixCam i deras labb på Brookhaven. Hittills har gruppen gjort tre kameror.

En myriad av användningsområden

När kamerorna är klara, gruppen samarbetar med andra forskare som vill använda TimepixCam i sina egna experiment. Michael Whites grupp i Brookhavens kemiavdelning och Thomas Weinachts grupp vid Stony Brook University använder redan kameran för innovationer inom bildbehandling av masspektrometri, samma kemiteknik som Nomerotski arbetade med i Oxford.

"Ett tag tänkte jag bara på applikationer inom kemisk avbildning, "sa Nomerotski, "men sedan läste jag ett par papper som väglett mig i en ny riktning. Det gick upp för mig att genom att placera en bildförstärkare framför kameran kan den användas för att avbilda enstaka fotoner. Det öppnar en helt annan applikationsdomän. "

En enskild foton är för svag för att kameran ska kunna se den själv. Så intensifieraren tar inkommande fotoner och passerar dem genom en serie material som förvandlar varje ljuspartikel till en ljusare blixt. När kameran tar upp denna blixt, den registrerar också tiden.

"Förstärkaren är som ett par mycket snabba nattsynsglasögon, " förklarade Nomerotski.

Med detta tillägg, TimepixCam kan fungera som ett fluorescerande bildverktyg, som Nomerotski demonstrerade i en ny tidning. Den här typen av verktyg kan, till exempel, hjälpa biologer att titta på syrekoncentrationer i levande celler för att spåra metaboliska processer, eller hjälpa till att karakterisera nya material som de ljusupptagande skikten som används i solceller.

Dessutom, eftersom enkla fotoner kan användas som 'qubits, 'kvantversionen av de binära bitarna som bär information i dagens datorer, Nomerotski tror också att TimepixCam kan spela en roll för kvantberäkning och framsteg inom kryptografi. Han testar detta med samarbetspartnern Eden Figueroa från Stony Brook University.

Figueroa, som specialiserat sig på kvantinformationsteknik, vill använda TimepixCam i avbildningsexperiment med "entangled photoner". Intrasslade fotoner är inte, som det kan tyckas, fysiskt lindade runt varandra. De är helt enkelt medvetna om varandra, ett märkligt kvantefenomen där varje mätning av en foton omedelbart påverkar den andra, även över långa sträckor. Således när endera fotonen mäts, information om den mätningen "teleporteras" från en foton till den andra. Forskare som Figueroa kan skapa intrasslade fotoner i laboratorier och skicka dem längs vanliga fiberoptiska kablar.

"Intrasslade fotoner skapas samtidigt, så att kontrollera att de har samma tidsstämpel är ett kraftfullt verktyg för att skilja paret från bakgrundsfoton, "Nomerotski sa." TimepixCam kan också användas för att mäta den rumsliga fördelningen av fotoner och för att hålla reda på åtgärderna för intrasslingskällor och kvantminnen i realtid. "

Fartar framåt

Som med alla projekt, det finns alltid utrymme att gå längre. Nomerotski hoppas kunna raka enhetens tidsupplösning ner till en nanosekund – 20 miljoner gånger snabbare än ett enda slag av en kolibrivinge.

"Vi testade precis nästa generation av den här kameran baserad på det senaste Timepix-utläsningschipet, som har bättre timingupplösning, och det finns också andra saker att förbättra. Mina kollegor i Oxford har precis utvecklat en snabbare del för intensifieraren och vi kanske testar det snart, sa Nomerotski.

Någon gång blir målet att göra dessa kameror ännu tusen gånger snabbare, som kan öppna dörrar till ännu fler applikationer - inklusive en återgång till de typer av partikelfysiska experiment som ursprungligen inspirerade Timepix -avläsningschipsen. Trots allt, när du kolliderar partiklar med nästan ljusets hastighet, du behöver tidsupplösning i toppklass för att spåra de subatomära bitarna som flyger ut.

"Kameran har fått riktigt fina resultat, "sa Nomerotski, "och jag skulle vilja förbättra hastigheten ännu mer, med ytterligare en eller två storleksordningar, för att nå hela applikationsområdet. "

Brookhavens arbete med LSST finansieras av DOE Office of Science. Nomerotskis arbete med TimepixCam stöds av Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development Program.

Trassel i cybersäkerhet

Kvantkryptering använder intrasslade fotoner som krypteringsnycklar – chiffer som datorer skickar till varandra och förklarar hur man kodar och avkodar privat information. Kvantkrypteringsnycklar har ett extra lager av skydd som inte finns i den vanliga digitala världen. Kvantmekanikens roliga regler dikterar att om någon - eller någon dator - avlyssnar och läser nyckeln medan den är på väg, den åtgärden kommer oundvikligen att ändra signalen, varna avsändaren och mottagaren om att deras hemliga kod har äventyrats.