Les chercheurs de Caltech ont démontré en mai dernier comment un tel enchevêtrement pouvait doubler la résolution des microscopes optiques classiques tout en empêchant la lumière d'un système d'imagerie d'endommager des échantillons biologiques fragiles. Aujourd'hui, la même équipe a amélioré la technique, rendant possible l'imagerie quantique de tranches d'organes entiers et même de petits organismes.

Dirigé par Lihong Wang, professeur Bren de génie médical et de génie électrique, le nouveau travail utilise l'intrication – ce qu'Albert Einstein a décrit un jour comme « une action effrayante à distance » – pour contrôler non seulement la couleur et la luminosité de la lumière frappant un échantillon. , mais aussi la polarisation de cette lumière.

"Notre nouvelle technique a le potentiel d'ouvrir la voie à l'imagerie quantique dans de nombreux domaines différents, y compris l'imagerie biomédicale et potentiellement même la détection spatiale à distance", déclare Wang, qui est également président du leadership en ingénierie médicale Andrew et Peggy Cherng et directeur général du secteur médical. ingénierie.

Comme la longueur d'onde et l'intensité, la polarisation est une propriété fondamentale de la lumière et représente la direction dans laquelle la composante électrique d'une onde lumineuse est orientée par rapport à la direction générale de déplacement de l'onde. La plupart de la lumière, y compris la lumière du soleil, n'est pas polarisée, ce qui signifie que ses ondes électromagnétiques se déplacent et se propagent dans toutes les directions.

Cependant, des filtres appelés polariseurs peuvent être utilisés pour créer des faisceaux lumineux avec une polarisation spécifique. Un polariseur vertical, par exemple, ne laisse passer que les photons à polarisation verticale. Ceux à polarisation horizontale (c’est-à-dire que la composante électrique de l’onde lumineuse est orientée horizontalement par rapport au sens de déplacement) seront bloqués. Toute lumière ayant d’autres angles de polarisation (entre vertical et horizontal) la traversera partiellement. Le résultat est un flux de lumière polarisée verticalement.

C'est ainsi que les lunettes de soleil polarisées réduisent l'éblouissement. Ils utilisent un revêtement chimique polarisant verticalement pour bloquer la lumière du soleil polarisée horizontalement en se réfléchissant sur une surface horizontale, comme un lac ou un champ enneigé. Cela signifie que le porteur n'observe que la lumière polarisée verticalement.

Lorsque les changements d'intensité lumineuse ou de couleur ne suffisent pas à donner aux scientifiques des images de qualité de certains objets, le contrôle de la polarisation de la lumière dans un système d'imagerie peut parfois fournir plus d'informations sur l'échantillon et offrir une manière différente d'identifier le contraste entre un échantillon et son objet. arrière-plan. Détecter les changements de polarisation provoqués par certains échantillons peut également fournir aux chercheurs des informations sur la structure interne et le comportement de ces matériaux.

La nouvelle technique de microscopie de Wang, baptisée imagerie quantique par coïncidence par intrication (ICE), tire parti des paires de photons intriqués pour obtenir des images à plus haute résolution de matériaux biologiques, y compris des échantillons plus épais, et pour effectuer des mesures de matériaux possédant ce que les scientifiques appellent des propriétés biréfringentes.

Plutôt que de plier systématiquement les ondes lumineuses entrantes de la même manière, comme le font la plupart des matériaux, les matériaux biréfringents plient ces ondes à différents degrés en fonction de la polarisation de la lumière et de la direction dans laquelle elle se déplace. Les matériaux biréfringents les plus couramment étudiés par les scientifiques sont les cristaux de calcite. Mais les matières biologiques, telles que la cellulose, l'amidon et de nombreux types de tissus animaux, notamment le collagène et le cartilage, sont également biréfringentes.

Si un échantillon aux propriétés biréfringentes est placé entre deux polariseurs orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre, une partie de la lumière traversant l'échantillon sera altérée dans sa polarisation et parviendra donc jusqu'au détecteur, même si toutes les autres la lumière entrante doit être bloquée par les deux polariseurs. La lumière détectée peut alors fournir des informations sur la structure de l’échantillon. En science des matériaux, par exemple, les scientifiques utilisent les mesures de biréfringence pour mieux comprendre les zones dans lesquelles les contraintes mécaniques s'accumulent dans les plastiques.

Dans la configuration ICE de Wang, la lumière passe d'abord à travers un polariseur, puis à travers une paire de cristaux spéciaux de borate de baryum, qui créent occasionnellement une paire de photons intriqués; environ une paire est produite pour chaque million de photons qui traversent les cristaux. À partir de là, les deux photons intriqués bifurqueront et suivront l'un des deux bras du système :l'un se déplacera tout droit, en suivant ce qu'on appelle le bras libre, tandis que l'autre tracera un chemin plus détourné appelé bras de signal qui amènera le photon à se déplacer. traverser l'objet d'intérêt.

Enfin, les deux photons traversent un polariseur supplémentaire avant d'atteindre deux détecteurs, qui enregistrent l'heure d'arrivée des photons détectés. Ici, cependant, un effet quantique "effrayant" se produit en raison de la nature intriquée des photons :le détecteur dans le bras libre peut agir comme un "trou d'épingle" virtuel et un "sélecteur de polarisation" sur le bras de signal, affectant instantanément l'emplacement et la polarisation. du photon incident sur l'objet dans le bras de signalisation.

"Dans la configuration ICE, les détecteurs des bras de signal et de renvoi fonctionnent respectivement comme des trous d'épingle 'réels' et 'virtuels'", explique Yide Zhang, auteur principal du nouvel article publié dans Science Advances. et stagiaire postdoctoral en génie médical à Caltech. "Cette configuration à double sténopé améliore la résolution spatiale de l'objet imagé dans le bras de signal. Par conséquent, ICE atteint une résolution spatiale plus élevée que l'imagerie conventionnelle qui utilise un seul sténopé dans le bras de signal."

"Comme chaque paire de photons intriqués arrive toujours aux détecteurs en même temps, nous pouvons supprimer les bruits dans l'image causés par des photons aléatoires", ajoute Xin Tong, co-auteur de l'étude et étudiant diplômé en génie médical et électrique à Caltech. .

Pour déterminer les propriétés biréfringentes d'un matériau avec une configuration de microscopie classique, les scientifiques passent généralement par différents états d'entrée, éclairant un objet séparément avec une lumière polarisée horizontalement, verticalement et diagonalement, puis mesurant les états de sortie correspondants avec un détecteur. L'objectif est de mesurer comment la biréfringence de l'échantillon modifie l'image que reçoit le détecteur dans chacun de ces états. Ces informations informent les scientifiques sur la structure de l'échantillon et peuvent fournir des images qui ne seraient pas possibles autrement.

Puisque l'intrication quantique permet de lier des paires de photons quelle que soit leur distance, Wang imagine déjà comment son nouveau système pourrait être utilisé pour effectuer des mesures de biréfringence dans l'espace.

Prenons une situation dans laquelle quelque chose d’intéressant, peut-être un milieu interstellaire, se trouve à des années-lumière de la Terre. Un satellite dans l'espace pourrait être positionné de telle sorte qu'il puisse émettre des paires de photons intriqués en utilisant la technique ICE, avec deux stations au sol faisant office de détecteurs.

La grande distance par rapport au satellite rendrait impossible l'envoi de tout type de signal pour ajuster la polarisation de la source de l'appareil. Cependant, en raison de l'enchevêtrement, changer l'état de polarisation dans le bras libre équivaudrait à changer la polarisation de la source lumineuse avant que le faisceau n'atteigne l'objet.

"Grâce à la technologie quantique, nous pouvons modifier presque instantanément l'état de polarisation des photons, peu importe où ils se trouvent", explique Wang. "Les technologies quantiques sont l'avenir. Par curiosité scientifique, nous devons explorer cette direction."