Andrei Nomerotski a rejoint le Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie pour construire un appareil photo de trois gigapixels pour le Large Synoptic Survey Telescope (LSST), un instrument massif qui sera installé dans les montagnes du Chili pour capturer les instantanés les plus profonds et les plus larges du cosmos à ce jour. Le LSST est l'axe principal de Nomerotski, pourtant il parvient à trouver le temps de mener un projet parallèle à Brookhaven :développer une caméra ultrarapide, appelé TimepixCam, capable de détecter des photons ou des ions uniques pour des expériences d'astrophysique et encore plus d'études terre-à-terre dans des domaines allant de la biologie à l'informatique quantique.

"A notre connaissance, ce sont les premières expériences qui impliquent l'imagerie de photons uniques avec un horodatage simultané au niveau du pixel avec une résolution temporelle de 10 nanosecondes, " a déclaré Nomerotski dans un article récent illustrant les capacités de TimepixCam.

L'idée du jeu de tir ultra-rapide a germé lorsque Nomerotski travaillait à l'Université d'Oxford, développer une caméra pour les chimistes qui pourrait imager et horodater les fragments moléculaires volants produits en spectrométrie de masse, une technique d'identification chimique courante utilisée dans les laboratoires.

"Quand je suis arrivé à Brookhaven, j'ai compris comment fabriquer ce type d'appareil photo de manière beaucoup plus simple, " a déclaré Nomerotski.

Sa dernière interprétation a un modeste tableau de 256 par 256 pixels, mais sa vitesse le distingue, fonctionne environ 4 millions de fois plus vite qu'un iPhone filmant une vidéo au ralenti.

Assembler les morceaux

Une partie de la clé de cette vitesse incroyable est le capteur en silicium de l'appareil photo, que Nomerotski a lui-même conçu. Il a une couche conductrice de surface très mince et un revêtement antireflet qui lui permet d'absorber tous les grains de lumière possibles et de convertir efficacement les photons entrants en signaux lisibles.

"Les caractéristiques optiques des capteurs d'image que nous fabriquons pour la caméra LSST sont similaires à celles des capteurs en silicium que nous utilisons dans TimepixCam. J'ai utilisé ma nouvelle expertise en capteurs optiques et en astronomie pour proposer un nouveau capteur que nous pouvons attacher à un puce de lecture, " il expliqua.

Le reste des pièces de la caméra est un amalgame de technologies préexistantes issues de domaines scientifiques dispersés. Les capteurs sont fabriqués dans une fonderie à Barcelone. Mais la puce de lecture éponyme Timepix, collé sous le capteur de chaque caméra, est originaire du laboratoire du Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN) à Genève.

"Il y a beaucoup de similitudes entre cette combinaison de capteur de puce de lecture et de silicium et les détecteurs de pixels dans ATLAS et CMS, deux détecteurs pour les grandes expériences de physique des particules au Grand collisionneur de hadrons du CERN, " a déclaré Nomerotski. " L'électronique de la caméra est fabriquée par une autre société qui développe des détecteurs pour l'imagerie par rayons X, " il ajouta.

Après avoir acheté des lentilles sur eBay et créé un boîtier à l'aide d'une imprimante 3D, L'équipe de Nomerotski assemble les différentes pièces et teste chaque TimepixCam dans leur laboratoire à Brookhaven. Jusqu'à présent, le groupe a fabriqué trois caméras.

Une myriade d'utilisations

Lorsque les caméras sont prêtes, le groupe collabore avec d'autres scientifiques qui souhaitent utiliser TimepixCam dans leurs propres expériences. Le groupe de Michael White au département de chimie de Brookhaven et le groupe de Thomas Weinacht à l'université Stony Brook utilisent déjà la caméra pour des innovations en spectrométrie de masse d'imagerie, la même technique de chimie que Nomerotski travaillait à Oxford.

"Pendant un moment, je ne pensais qu'à des applications en imagerie chimique, " dit Nomerotski, "mais j'ai ensuite lu quelques articles qui m'ont guidé dans une nouvelle direction. Il m'est venu à l'esprit qu'en plaçant un intensificateur d'image devant la caméra, il pouvait être utilisé pour imager des photons uniques. Cela ouvre un domaine d'applications complètement différent. "

Un seul photon est trop faible pour que l'appareil photo puisse le voir seul. Ainsi, l'intensificateur prend les photons entrants et les fait passer à travers une série de matériaux qui transforment chaque particule de lumière en un flash plus lumineux. Lorsque l'appareil photo capte ce flash, il enregistre également l'heure.

"L'intensificateur est comme une paire de lunettes de vision nocturne très rapide, " expliqua Nomerotski.

Avec cet ajout, TimepixCam peut agir comme un outil d'imagerie fluorescente, comme Nomerotski l'a démontré dans un article récent. Ces types d'outils peuvent, par exemple, aider les biologistes à examiner les concentrations d'oxygène dans les cellules vivantes pour suivre les processus métaboliques, ou aider à caractériser de nouveaux matériaux tels que les couches de collecte de lumière utilisées dans les cellules solaires.

En outre, parce que les photons uniques peuvent être utilisés comme "qubits, ' la version quantique des bits binaires qui transportent des informations dans les ordinateurs d'aujourd'hui, Nomerotski pense également que TimepixCam pourrait jouer un rôle dans l'informatique quantique et les progrès de la cryptographie. Il teste cela avec sa collaboratrice Eden Figueroa de l'Université Stony Brook.

Figueroa, spécialisé dans les technologies de l'information quantique, veut utiliser TimepixCam dans des expériences d'imagerie utilisant des "photons intriqués". Les photons intriqués ne le sont pas, comme il peut sembler, physiquement enroulés l'un autour de l'autre. Ils sont simplement conscients l'un de l'autre, un phénomène quantique particulier dans lequel toute mesure d'un photon affecte immédiatement l'autre, même sur de longues distances. Ainsi, lorsque l'un des photons est mesuré, les informations sur cette mesure sont "téléportées" d'un photon à l'autre. Des chercheurs comme Figueroa peuvent créer des photons intriqués dans les laboratoires et les envoyer le long de câbles à fibres optiques ordinaires.

"Les photons intriqués sont créés simultanément, donc vérifier qu'ils ont le même horodatage est un outil puissant pour distinguer la paire des photons d'arrière-plan, " a déclaré Nomerotski. " TimepixCam peut également être utilisé pour mesurer la distribution spatiale des photons et pour suivre les actions des sources d'intrication et des mémoires quantiques en temps réel. "

Accélérer en avant

Comme pour tous les projets, il y a toujours de la place pour aller plus loin. Nomerotski espère réduire la résolution temporelle de l'appareil à une nanoseconde, soit 20 millions de fois plus vite qu'un seul battement d'aile d'un colibri.

"Nous venons de tester la prochaine génération de cette caméra basée sur la dernière puce de lecture Timepix, qui a une meilleure résolution temporelle, et il y a aussi d'autres choses à améliorer. Mes collègues d'Oxford viennent de développer une partie plus rapide pour l'intensificateur et nous pourrions tester cela bientôt, " a déclaré Nomerotski.

Un jour, l'objectif sera de rendre ces caméras encore mille fois plus rapides, ce qui pourrait ouvrir la porte à encore plus d'applications, y compris un retour aux types d'expériences de physique des particules qui ont inspiré à l'origine les puces de lecture Timepix. Après tout, lorsque vous heurtez des particules à presque la vitesse de la lumière, vous avez besoin d'une résolution temporelle de premier ordre pour suivre les pièces subatomiques qui s'envolent.

"La caméra a obtenu de très bons résultats, " dit Nomerotski, "et je voudrais améliorer encore plus la vitesse, d'un ou deux autres ordres de grandeur, pour atteindre la gamme complète d'applications."

Le travail de Brookhaven sur le LSST est financé par le DOE Office of Science. Le travail de Nomerotski sur TimepixCam est soutenu par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Brookhaven.

Enchevêtrement dans la cybersécurité

Le chiffrement quantique utilise des photons intriqués comme clés de chiffrement, des codes que les ordinateurs s'envoient pour expliquer comment coder et décoder les informations privées. Les clés de chiffrement quantiques ont une couche de protection supplémentaire qui n'existe pas dans le monde numérique ordinaire. Les drôles de règles de la mécanique quantique dictent que si quelqu'un - ou n'importe quel ordinateur - intercepte et lit la clé pendant qu'elle est en transit, cette action modifiera inévitablement le signal, alerter l'expéditeur et le destinataire que leur code secret a été compromis.