Un nouveau type d'holographie quantique qui utilise des photons intriqués pour surmonter les limites des approches holographiques conventionnelles pourrait conduire à une meilleure imagerie médicale et accélérer les progrès de la science de l'information quantique.

Une équipe de physiciens de l'Université de Glasgow est la première au monde à trouver un moyen d'utiliser des photons intriqués quantiques pour coder des informations dans un hologramme. Le processus derrière leur percée est décrit dans un article publié aujourd'hui dans la revue Physique de la nature .

L'holographie est familière à beaucoup de son utilisation comme images de sécurité imprimées sur les cartes de crédit et les passeports, mais il a beaucoup d'autres applications pratiques, y compris le stockage de données, imagerie médicale et défense.

L'holographie classique crée des rendus bidimensionnels d'objets tridimensionnels avec un faisceau de lumière laser divisé en deux chemins. Le chemin d'un faisceau, connu sous le nom de faisceau objet, illumine le sujet de l'holographe, avec la lumière réfléchie collectée par une caméra ou un film holographique spécial. Le chemin du deuxième faisceau, appelé faisceau de référence, est rebondi d'un miroir directement sur la surface de collection sans toucher le sujet.

L'holographe est créé en mesurant les différences de phase de la lumière où les deux faisceaux se rencontrent. La phase est la quantité que les ondes des faisceaux du sujet et de l'objet se mélangent et interfèrent les unes avec les autres, un processus activé par une propriété de la lumière connue sous le nom de « cohérence ».

Le nouveau procédé d'holographie quantique de l'équipe de Glasgow utilise également un faisceau de lumière laser divisé en deux chemins, mais, contrairement à l'holographie classique, les poutres ne sont jamais réunies. Au lieu, le processus exploite les propriétés uniques de l'intrication quantique – un processus appelé par Einstein « action effrayante à distance » – pour recueillir les informations de cohérence nécessaires à la construction d'un holographe même si les faisceaux sont séparés pour toujours.

Leur processus commence en laboratoire en faisant briller un laser bleu à travers un cristal non linéaire spécial qui divise le faisceau en deux, créant des photons intriqués dans le processus. Les photons intriqués sont intrinsèquement liés :lorsqu'un agent agit sur un photon, son partenaire est également concerné, peu importe à quelle distance ils sont. Les photons dans le processus de l'équipe sont intriqués à la fois dans leur sens de déplacement mais aussi dans leur polarisation.

Les deux flux de photons intriqués sont alors envoyés le long de chemins différents. Un flux de photons - l'équivalent du faisceau objet en holographie classique - est utilisé pour sonder l'épaisseur et la réponse de polarisation d'un objet cible en mesurant la décélération des photons lorsqu'ils le traversent. La forme d'onde de la lumière se décale à différents degrés lorsqu'elle traverse l'objet, changer la phase de la lumière.

Pendant ce temps, son partenaire intriqué heurte un modulateur spatial de lumière, l'équivalent du faisceau de référence. Les modulateurs de lumière spatiaux sont des dispositifs optiques qui peuvent ralentir de manière fractionnelle la vitesse de la lumière qui les traverse. Une fois que les photons ont traversé le modulateur, ils ont une phase différente par rapport à leurs partenaires intriqués qui ont sondé l'objet cible.

En holographie standard, les deux chemins se superposeraient alors, et le degré d'interférence de phase entre eux serait utilisé pour générer un hologramme sur la caméra. Dans l'aspect le plus frappant de la version quantique de l'holographie de l'équipe, les photons ne se chevauchent jamais après avoir traversé leurs cibles respectives.

Au lieu, parce que les photons sont intriqués en une seule particule « non locale », les déphasages subis par chaque photon individuellement sont partagés simultanément par les deux.

Le phénomène d'interférence se produit à distance, et un hologramme est obtenu en mesurant les corrélations entre les positions de photons intriqués à l'aide d'appareils photo numériques mégapixels séparés. Une image de phase de haute qualité de l'objet est finalement récupérée en combinant quatre hologrammes mesurés pour quatre déphasages globaux différents mis en œuvre par le modulateur spatial de lumière sur l'un des deux photons.

Dans l'expérience de l'équipe, les motifs de phase ont été reconstruits à partir d'objets artificiels comme les lettres "UofG" programmées sur un écran à cristaux liquides, mais aussi à partir d'objets réels tels qu'un ruban transparent, des gouttelettes d'huile de silicone positionnées sur une lame de microscope et une plume d'oiseau.

Dr Hugo Defienne, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow, est l'auteur principal de l'article. Le Dr Defienne a déclaré :« L'holographie classique fait des choses très intelligentes avec la direction, couleur et polarisation de la lumière, mais il a des limites, telles que les interférences de sources lumineuses indésirables et une forte sensibilité aux instabilités mécaniques.

"Le processus que nous avons développé nous libère des limites de la cohérence classique et introduit l'holographie dans le domaine quantique. L'utilisation de photons intriqués offre de nouvelles façons de créer des images plus nettes, des hologrammes plus riches en détails, qui ouvrent de nouvelles possibilités d'applications pratiques de la technique.

« L'une de ces applications pourrait être l'imagerie médicale, où l'holographie est déjà utilisée en microscopie pour scruter les détails d'échantillons délicats qui sont souvent presque transparents. Notre processus permet la création de plus haute résolution, des images moins bruyantes, ce qui pourrait aider à révéler des détails plus fins sur les cellules et nous aider à en savoir plus sur le fonctionnement de la biologie au niveau cellulaire. »

Le professeur Daniele Faccio de l'Université de Glasgow dirige le groupe qui a fait la percée et est co-auteur de l'article.

Le professeur Faccio a déclaré :« Une partie de ce qui est vraiment excitant à ce sujet, c'est que nous avons trouvé un moyen d'intégrer des caméras numériques mégapixels dans le système de détection.

"De nombreuses grandes découvertes en physique quantique optique au cours des dernières années ont été faites à l'aide de simples, capteurs à un seul pixel. Ils ont l'avantage d'être petits, rapide et abordable, mais leur inconvénient est qu'ils ne capturent que des données très limitées sur l'état des photons intriqués impliqués dans le processus. Il faudrait un temps extraordinaire pour capturer le niveau de détail que nous pouvons collecter dans une seule image.

"Les capteurs CCD que nous utilisons nous offrent une résolution sans précédent pour jouer - jusqu'à 10, 000 pixels par image de chaque photon intriqué. Cela signifie que nous pouvons mesurer la qualité de leur intrication et la quantité de photons dans les faisceaux avec une précision remarquable.

« Les ordinateurs quantiques et les réseaux de communication quantique du futur nécessiteront au moins ce niveau de détail sur les particules enchevêtrées qu'ils utiliseront. Cela nous rapproche un peu plus de la possibilité d'un véritable changement dans ces domaines en développement rapide. C'est vraiment passionnant. percée et nous sommes impatients de tirer parti de ce succès avec d'autres améliorations. »

Le papier de l'équipe, intitulé « Holographie quantique activée par l'intrication de polarisation, " est publié dans Physique de la nature .