Des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont créé un système d'imagerie 3D qui utilise les propriétés quantiques de la lumière pour créer des images 40, 000 fois plus nette que les technologies actuelles, ouvrant la voie à une détection et une détection LIDAR inédites dans les voitures autonomes, systèmes de cartographie par satellite, communications dans l'espace lointain et imagerie médicale de la rétine humaine.

L'oeuvre, dirigé par Yuping Huang, directeur du Center for Quantum Science and Engineering à Stevens, résout un problème vieux de plusieurs décennies avec le LIDAR, qui tire des lasers sur des cibles éloignées, détecte alors la lumière réfléchie. Alors que les détecteurs de lumière utilisés dans ces systèmes sont suffisamment sensibles pour créer des images détaillées à partir de quelques photons - de minuscules particules de lumière qui peuvent être codées avec des informations - il est difficile de différencier les fragments réfléchis de la lumière laser de la lumière de fond plus brillante telle que les rayons du soleil.

"Plus nos capteurs sont sensibles, plus ils deviennent sensibles au bruit de fond, " dit Huang, dont le travail apparaît dans le numéro en ligne avancé du 17 février de Communication Nature . "C'est le problème que nous essayons maintenant de résoudre."

La technologie est la première démonstration dans le monde réel de la réduction du bruit à photon unique à l'aide d'une méthode appelée tri de mode paramétrique quantique, ou QPMS, qui a été proposé pour la première fois par Huang et son équipe dans un 2017 La nature papier. Contrairement à la plupart des outils de filtrage du bruit, qui s'appuient sur un post-traitement logiciel pour nettoyer les images bruitées, QPMS vérifie les signatures quantiques de la lumière grâce à une optique non linéaire exotique pour créer une image exponentiellement plus propre au niveau du capteur lui-même.

Détecter un photon porteur d'informations spécifique au milieu du rugissement du bruit de fond, c'est comme essayer d'arracher un seul flocon de neige d'un blizzard, mais c'est exactement ce que l'équipe de Huang a réussi à faire. Huang et ses collègues décrivent une méthode pour imprimer des propriétés quantiques spécifiques sur une impulsion sortante de lumière laser, puis filtrer la lumière entrante afin que seuls les photons ayant des propriétés quantiques correspondantes soient enregistrés par le capteur.

Le résultat :un système d'imagerie incroyablement sensible aux photons revenant de sa cible, mais cela ignore pratiquement tous les photons bruyants indésirables. L'approche de l'équipe produit des images 3D nettes même lorsque chaque photon porteur de signal est noyé par 34 fois plus de photons bruyants.

"En nettoyant la détection initiale des photons, nous repoussons les limites de l'imagerie 3D précise dans un environnement bruyant, " a déclaré Patrick Rehain, un doctorant Stevens et l'auteur principal de l'étude. "Nous avons montré que nous pouvons réduire la quantité de bruit d'environ 40, 000 fois mieux que les meilleures technologies d'imagerie actuelles."

Cette approche matérielle pourrait faciliter l'utilisation du LIDAR dans des environnements bruyants où un post-traitement intensif en calcul n'est pas possible. La technologie pourrait également être combinée à une réduction du bruit basée sur un logiciel pour obtenir des résultats encore meilleurs. "Nous n'essayons pas de rivaliser avec les approches informatiques - nous leur donnons de nouvelles plates-formes pour travailler, " a déclaré Rehain.

En termes pratiques, La réduction du bruit QPMS pourrait permettre au LIDAR d'être utilisé pour générer des images 3D détaillées à des distances allant jusqu'à 30 kilomètres. Il pourrait également être utilisé pour la communication dans l'espace lointain, où l'éblouissement dur du soleil couvrirait normalement les impulsions laser lointaines.

Peut-être le plus excitant, la technologie pourrait également permettre aux chercheurs d'examiner de plus près les parties les plus sensibles du corps humain. En permettant une imagerie à photon unique pratiquement sans bruit, le système d'imagerie Stevens aidera les chercheurs à créer des images nettes, des images très détaillées de la rétine humaine utilisant des faisceaux laser presque invisibles qui n'endommageront pas les tissus sensibles de l'œil.

"Le domaine de l'imagerie monophotonique est en plein essor, " a déclaré Huang. " Mais cela fait longtemps que nous n'avons pas vu un si grand pas en avant dans la réduction du bruit, et les avantages que cela pourrait apporter à tant de technologies."