Une fois que, les hologrammes n'étaient qu'une curiosité scientifique. Mais grâce au développement rapide des lasers, ils se sont progressivement déplacés sur le devant de la scène, apparaissant sur les images de sécurité pour les cartes de crédit et les billets de banque, dans des films de science-fiction - le plus mémorable de Star Wars - et même "en direct" sur scène lorsque le rappeur Tupac, décédé depuis longtemps, s'est réincarné pour les fans au festival de musique de Coachella en 2012.

L'holographie est le processus photographique d'enregistrement de la lumière diffusée par un objet, et le présenter de manière tridimensionnelle. Inventé au début des années 1950 par le physicien hongro-britannique Dennis Gabor, la découverte lui a valu plus tard le prix Nobel de physique en 1971.

Au-delà des billets de banque, passeports et rappeurs controversés, l'holographie est devenue un outil essentiel pour d'autres applications pratiques, notamment le stockage de données, microscopie biologique, imagerie médicale et diagnostic médical. Dans une technique appelée microscopie holographique, les scientifiques fabriquent des hologrammes pour déchiffrer les mécanismes biologiques dans les tissus et les cellules vivantes. Par exemple, cette technique est couramment utilisée pour analyser les globules rouges afin de détecter la présence de parasites du paludisme et d'identifier les spermatozoïdes pour les processus de FIV.

Mais maintenant, nous avons découvert un nouveau type d'holographie quantique pour surmonter les limitations des approches holographiques conventionnelles. Cette découverte révolutionnaire pourrait conduire à une meilleure imagerie médicale et accélérer les progrès de la science de l'information quantique. C'est un domaine scientifique qui couvre toutes les technologies basées sur la physique quantique, y compris l'informatique quantique et les communications quantiques.

Comment fonctionnent les hologrammes

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'holographie, 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'hologramme est créé en mesurant les différences de phase de la lumière, où les deux faisceaux se rencontrent. La phase est la quantité des ondes des faisceaux du sujet et de l'objet se mélangent et interfèrent les uns avec les autres. Un peu comme des vagues à la surface d'une piscine, le phénomène d'interférence crée un motif d'onde complexe dans l'espace qui contient les deux régions où les ondes s'annulent (creux), et d'autres où ils ajoutent (crêtes).

Les interférences nécessitent généralement que la lumière soit « cohérente », ayant la même fréquence partout. La lumière émise par un laser, par exemple, est cohérent, et c'est pourquoi ce type de lumière est utilisé dans la plupart des systèmes holographiques.

Holographie avec enchevêtrement

La cohérence optique est donc vitale pour tout processus holographique. Mais notre nouvelle étude contourne le besoin de cohérence en holographie en exploitant quelque chose appelé "intrication quantique" entre des particules lumineuses appelées photons.

L'holographie conventionnelle repose fondamentalement sur la cohérence optique car, Premièrement, la lumière doit interférer pour produire des hologrammes, et deuxièmement, la lumière doit être cohérente pour interférer. Cependant, la seconde partie n'est pas tout à fait vraie car il existe certains types de lumière qui peuvent à la fois être incohérentes et produire des interférences. C'est le cas de la lumière faite de photons intriqués, émis par une source quantique sous la forme d'un flux de particules groupées par paires :des photons intriqués.

Ces paires portent une propriété unique appelée intrication quantique. Lorsque deux particules sont enchevêtrées, ils sont intrinsèquement liés et agissent effectivement comme un seul objet, même s'ils peuvent être séparés dans l'espace. Par conséquent, toute mesure effectuée sur une particule intriquée affecte le système intriqué dans son ensemble.

Dans notre étude, les deux photons de chaque paire sont séparés et envoyés dans deux directions différentes. Un photon est envoyé vers un objet, qui pourrait être par exemple, une lame de microscope avec un échantillon biologique dessus. Quand il heurte l'objet, le photon sera légèrement dévié ou un peu ralenti en fonction de l'épaisseur du matériau échantillon qu'il a traversé. Mais, en tant qu'objet quantique, un photon a la propriété surprenante de se comporter non seulement comme une particule, mais aussi simultanément comme une vague.

Une telle propriété de dualité onde-particule lui permet non seulement de sonder l'épaisseur de l'objet à l'endroit précis où il l'a frappé (comme le ferait une particule plus grosse), mais de mesurer son épaisseur sur toute sa longueur d'un seul coup. L'épaisseur de l'échantillon - et donc sa structure tridimensionnelle - devient « imprimée » sur le photon.

Parce que les photons sont intriqués, la projection imprimée sur un photon est simultanément partagée par les deux. Le phénomène d'interférence se produit alors à distance, sans qu'il soit nécessaire de chevaucher les poutres, et un hologramme est finalement obtenu en détectant les deux photons à l'aide de caméras séparées et en mesurant les corrélations entre eux.

L'aspect le plus impressionnant de cette approche holographique quantique est que le phénomène d'interférence se produit même si les photons n'interagissent jamais les uns avec les autres et peuvent être séparés par n'importe quelle distance - un aspect appelé "non-localité" - et est permis par la présence de intrication quantique entre les photons.

Ainsi, l'objet que nous mesurons et les mesures finales pourraient être effectués aux extrémités opposées de la planète. Au-delà de cet intérêt fondamental, l'utilisation de l'intrication au lieu de la cohérence optique dans un système holographique offre des avantages pratiques tels qu'une meilleure stabilité et résistance au bruit. En effet, l'intrication quantique est une propriété intrinsèquement difficile d'accès et de contrôle, et a donc l'avantage d'être moins sensible aux déviations externes.

Ces avantages nous permettent de produire des images biologiques de bien meilleure qualité que celles obtenues avec les techniques de microscopie actuelles. Bientôt, cette approche holographique quantique pourrait être utilisée pour démêler des structures et des mécanismes biologiques à l'intérieur des cellules qui n'avaient jamais été observés auparavant.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.