¿Y si alambres más grandes captaran más fotones? Los SNSPD 100 veces más anchos del NIST están recableando la detección cuántica

Boulder, Colorado. Cada instante, el universo nos envía una avalancha de fotones. Estos diminutos paquetes cuánticos de luz están por todas partes, y la mayoría pasan de largo sin dejar rastro. Para los investigadores que trabajan en computación cuántica, imágenes de tejidos profundos y comunicación con el espacio profundo, capturar uno solo puede significar la diferencia entre un gran avance y una oportunidad perdida.

Los detectores de fotón único son algunos de los instrumentos más sensibles jamás construidos. Los detectores superconductores de nanocable de fotón único, o SNSPD, son los líderes actuales en este campo. Se basan en la superconductividad, un estado en el que la corriente eléctrica fluye sin resistencia. Cuando un fotón golpea el cable superconductor ultrafino, crea un punto caliente diminuto que altera la corriente y provoca un pulso eléctrico. Ese pulso es la firma inconfundible de una sola partícula de luz. El NIST ha perfeccionado estos dispositivos de forma constante, y hoy pueden capturar casi el 98 por ciento de los fotones entrantes.

Durante mucho tiempo, la principal limitación era el tamaño. Un SNSPD estándar utiliza un cable de alrededor de 100 nanómetros de ancho, aproximadamente una milésima parte del grosor de un cabello humano. La lógica predominante era simple. La energía de un fotón tiene que romper la superconductividad a lo ancho de todo el cable. Si el cable fuera más ancho, la salpicadura del fotón se extendería demasiado y la señal desaparecería. Esa suposición mantuvo los diseños de cables atascados en la nanoescala.

Los cables a nanoescala funcionan, pero también traen complicaciones reales. Exigen métodos de fabricación muy especializados. La corriente que fluye por ellos no es perfectamente uniforme, porque pequeños defectos hacen que la carga se acumule cerca de los bordes, algo parecido a los remolinos de un río. Estos efectos de borde crean señales falsas conocidas como conteos oscuros. También limitan la corriente de operación, así que los fotones de baja energía terminan generando solo un pulso débil. Ese fue el rompecabezas que el NIST quería resolver.

Su nuevo diseño añade dos electrodos de riel superconductores a los lados del cable central. Los rieles llevan la corriente en la misma dirección, y sus campos magnéticos trabajan junto con el campo del cable principal. Ese campo combinado suaviza la distribución de la corriente y evita la acumulación no deseada en los bordes. Con un flujo más uniforme, el cable puede manejar mucha más corriente. Como resultado, el punto caliente del fotón se puede detectar en un área mucho más amplia. El detector también puede operar más cerca del punto de transición superconductora, lo que significa que incluso los fotones de muy baja energía dejan una señal clara y legible.

Los resultados suponen un gran salto en escala. El equipo demostró cables de hasta una décima de milímetro de ancho, más de 100 veces más anchos que los SNSPD convencionales. Deberían ser posibles cables incluso más grandes. La nueva arquitectura también es más fácil de fabricar, lo que podría hacer que los detectores grandes sean mucho más prácticos. Esta versión ancha es insensible a la polarización, así que funciona sin importar en qué dirección vibre el campo eléctrico del fotón.

Uno de los resultados más sorprendentes es la caída de los conteos oscuros. El equipo registró una reducción de mil millones de veces en las señales falsas, un nuevo récord. La investigadora posdoctoral del NIST Kristen Parzuchowski recuerda ese momento en el laboratorio. ‘Estábamos llamando a otras personas de nuestro grupo para que entraran a la sala y les decíamos: “Miren esto, ¡es una locura!”’

Las aplicaciones potenciales son muy amplias. En la obtención de imágenes biomédicas, la espectroscopia de correlación difusa envía luz a través del tejido humano y analiza la luz dispersada para medir el flujo sanguíneo. Una captura más eficiente de fotones podría hacer esas lecturas más rápidas y fiables. En astronomía, la luz tenue y de baja energía es la forma en que estudiamos galaxias lejanas y buscamos materia oscura. En las redes cuánticas y la comunicación con el espacio profundo, cada fotón puede llevar información, así que capturar más significa señales más fuertes y claras.

Quedan más pruebas antes de que estos detectores de tamaño supergrande puedan alcanzar la eficiencia del 98 por ciento de las mejores versiones a nanoescala. El nuevo trabajo ya demuestra un punto central. Los cables superconductores no tienen que ser diminutos para alcanzar los límites intrínsecos del material. El NIST ha mostrado un camino hacia una nueva generación de detectores de fotones que son más fáciles de construir, excepcionalmente silenciosos y listos para capturar casi todos los fotones débiles que el universo nos envía.