Dans les méthodes de détection conventionnelles, le bruit est toujours un problème, en particulier dans les systèmes destinés à détecter des changements dans leur environnement qui sont à peine plus grands ou même plus petits que le bruit dans le système. En rencontrant ce problème dans ses expériences avec des photons en interaction, Le physicien de l'AMOLF, Said Rodriguez, a pensé à un moyen de contourner le problème. Dans un article qui sera publié dans Examen physique appliqué , il démontre comment le bruit peut être transformé en une ressource pour la détection optique plutôt qu'en un problème.

« Utiliser le bruit pour améliorer les méthodes de détection est contre-intuitif, " dit Said Rodriguez. " Imaginez essayer de voir les plus grosses lettres dans un test de vision et échouer. Puis, imaginez comment un tremblement de terre soudain vous aide à voir même les plus petites lettres du test. Secouer les molécules d'air entre l'écran et vos yeux vous aide à lire les minuscules lettres. C'est similaire à ce qui se passe dans le capteur optique que je propose."

De petits changements dans l'environnement

Comme de nombreux chercheurs dans le domaine de l'optique, Rodriguez travaille avec des systèmes résonants capables de détecter de minuscules changements dans leur environnement. Un capteur optique typique est basé sur une cavité, un espace vide avec une lumière laser résonnant entre deux miroirs. La fréquence de résonance dépend de ce qui se passe dans et autour de la cavité. "Par exemple, un gaz circulant à travers la cavité modifie la fréquence de résonance, mais il en va de même d'un changement de température ou de pression, " explique Rodriguez. " Un détecteur typique mesure ce changement de fréquence de résonance comme un changement d'intensité de la lumière qui sort de la cavité. Cependant, fluctuations d'intensité, c'est à dire., bruit, perturber toujours la mesure. Le moyen le plus courant de réduire l'effet délétère du bruit consiste à moyenner le signal sur une longue période de temps. Cela limite la vitesse de détection, alors que dans la grande majorité des applications, il est très utile de détecter le plus rapidement possible. De plus, la vitesse de détection est toujours limitée par le bruit; même si tout bruit classique (par exemple thermique) est supprimé, le bruit quantique reste."

Accepter le bruit pour une détection plus rapide

Alors que la plupart des capteurs optiques sont linéaires - la lumière qui sort est une fonction linéaire de ce qui est entré - Rodriguez propose un schéma de détection optique basé sur la non-linéarité, ce qui signifie que les photons peuvent interagir efficacement les uns avec les autres à l'intérieur du capteur. "À l'intérieur de la cavité optique, nous ajoutons un matériau qui influence la lumière résonante de manière non linéaire. La lumière qui sort n'est pas une fonction linéaire de ce qui est entré, mais il est bistable :pour une entrée donnée, la sortie a deux valeurs possibles, " dit-il. " En raison du bruit inhérent au système, la sortie du capteur bascule aléatoirement entre ces deux valeurs. Lorsque la fréquence de résonance de la cavité change (par exemple parce qu'une particule pénètre dans la cavité), ce modèle de retournement change également."

L'analyse des statistiques du modèle de retournement révèle le changement de la fréquence de résonance. Étant donné que le bruit augmente le taux de basculement entre les deux valeurs, et un taux de retournement plus élevé signifie qu'il faut moins de temps pour acquérir des statistiques suffisantes, cela signifie que le bruit rend le capteur plus rapide. Rodriguez :« Dans les capteurs conventionnels, l'augmentation du bruit augmente le temps nécessaire pour détecter quelque chose entrant dans la cavité, mais dans ce capteur la détection est plus rapide lorsqu'il y a plus de bruit. C'est vraiment remarquable."

Sensibilité optimale pour le bruit quantique

Finalement, le bruit quantique ne peut jamais être totalement évité, Il est donc utile de réaliser des capteurs qui embrassent plutôt que d'éviter le bruit. Rodriguez a découvert que la sensibilité de ce capteur de bruit dépend également du bruit. "Tout comme la vitesse de détection, la sensibilité augmente avec le bruit, mais pas en continu. Il s'avère que ce capteur peut fonctionner de manière optimale dans le régime de bruit quantique, " dit-il. " Cela en fait une alternative intéressante dans les régimes où les capteurs conventionnels ne peuvent pas très bien fonctionner. "

Rodriguez a calculé la limite de vitesse de détection théorique du schéma de détection non linéaire proposé et l'a comparée à la limite de vitesse de détection théorique d'un capteur linéaire. Parce que le schéma non linéaire fonctionne presque aussi bien qu'une méthode linéaire, il a de grandes attentes. Il prévoit d'approfondir l'étude théorique du système et éventuellement de développer un capteur physique qui embrasse le bruit. « Des méthodes similaires sont déjà utilisées pour les systèmes électriques, mais à ce jour, le bruit n'a jamais été utilisé comme ressource dans la détection optique, " dit-il. " En montrant comment le bruit quantique inévitable peut être embrassé pour la détection, ces résultats peuvent repousser les limites de ce qui est détectable par des capteurs optiques de pointe."