Les scientifiques ont développé un outil révolutionnaire d’interférométrie quantique qui atteint une précision à l’échelle nanométrique dans des environnements difficiles.
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois, dirigés par le professeur de physique Paul Kwiat, ont dévoilé un outil révolutionnaire qui remodèle la mesure de précision à l’échelle nanométrique. Conçue pour fonctionner même dans des environnements difficiles remplis de bruit de fond et de perte optique, cette nouvelle technologie d’interférométrie optique exploite les propriétés quantiques de la lumière. En utilisant un phénomène appelé intrication extrême des couleurs, il permet d’obtenir des mesures plus rapides et plus précises que les méthodes traditionnelles, à la fois classiques et quantiques.
Colin Lualdi, étudiant diplômé en physique de l’Illinois et auteur principal de l’étude, souligne : “En tirant parti à la fois de l’interférence quantique et de l’intrication quantique, nous pouvons effectuer des mesures qui seraient autrement difficiles avec les méthodes existantes.”
Cet outil est prêt à avoir un impact dans les applications du monde réel. Lualdi souligne son potentiel dans des domaines tels que le diagnostic médical, la surveillance à distance des systèmes et la caractérisation avancée des matériaux. Grâce à sa conception quantique, la technologie offre des améliorations majeures par rapport aux outils de haute précision actuels. Il offre une plus grande sensibilité dans les environnements bruyants, ce qui le rend parfait pour des tâches telles que mesurer des cibles éloignées et faiblement réfléchissantes, même en plein jour.
Au-delà de cela, le nouvel outil excelle dans l’analyse d’échantillons difficiles pour les systèmes conventionnels, tels que les matériaux qui transmettent mal la lumière ou les tissus biologiques très sensibles. Et comme il ne nécessite pas de sonde physique pour toucher ou même s’approcher de l’échantillon, il ouvre la porte à des mesures beaucoup plus flexibles et moins invasives. Un autre avantage est la rapidité : elle capture les données plus rapidement que de nombreuses technologies existantes, ce qui permet aux chercheurs d’étudier des systèmes dynamiques comme les surfaces vibrantes, ce qui était jusqu’à présent un défi.
Cette technologie représente un exemple rare des avantages quantiques d’un instrument ayant des applications immédiates dans de nombreux domaines.
Kwiat explique : “Il s’agit d’une application pratique de certains effets mécaniques quantiques très fondamentaux qui sont connus depuis assez longtemps et qui sous-tendent de nombreux traitements d’informations quantiques. Notre mesure atteint la limite quantique de la quantité d’informations pouvant être extraites d’un système.”
1-Interférométrie : classique versus quantique
L’interférométrie optique est aujourd’hui la référence en matière de mesure de précision. Il utilise les propriétés d’interférence de la lumière décrites par la physique classique pour mesurer de minuscules distances. Voici comment cela fonctionne : lorsque deux ondes lumineuses se rencontrent et que leurs pics et leurs creux sont alignés, elles peuvent s’ajouter l’une à l’autre, interférant de manière constructive pour produire une onde résultante d’amplitude plus élevée. Si, en revanche, les pics d’une onde sont alignés avec les creux d’une autre onde, ils s’annuleront mutuellement, interférant de manière destructive pour produire une onde résultante de plus faible amplitude.
La configuration classique de l’interféromètre optique comprend un laser qui projette un faisceau lumineux à travers un séparateur de faisceau. Une onde lumineuse descend le long du bras vertical et l’autre descend le long du bras horizontal. Un miroir à l’extrémité de chaque bras réfléchit les ondes lumineuses, qui reviennent se rencontrer au niveau du séparateur de faisceau. Les longueurs des bras verticaux et horizontaux sont disposées de telle sorte que les deux ondes interfèrent de manière destructive, s’annulant mutuellement de sorte qu’aucun signal d’interférence n’est détecté. Mais si la longueur de l’un des bras est raccourcie, par exemple lorsqu’un matériau d’une certaine épaisseur est inséré dans l’un des bras, les ondes s’ajouteront les unes aux autres lorsqu’elles se rencontreront à nouveau au niveau du séparateur de faisceau, créant un signal d’interférence. Les variations du signal d’interférence sont ensuite utilisées pour calculer l’épaisseur du matériau.
L’interférométrie classique a de nombreuses applications réussies. Il a été utilisé pour détecter des ondes gravitationnelles — de minuscules ondulations dans la structure de l’espace-temps qui sont inférieures à la largeur d’un proton. Il est également utilisé dans les outils de diagnostic médical, par exemple pour mesurer l’épaisseur de la rétine afin de détecter les premiers signes de maladies. Cependant, les interféromètres classiques présentent des limites. Ils ont du mal à mesurer des échantillons minces qui transmettent mal la lumière. La lumière de fond peut également s’infiltrer, affaiblissant les signaux d’interférence et diminuant la sensibilité de l’appareil, de la même manière que la lumière saturée d’une photo surexposée rend difficile la distinction des détails.
L’interférométrie quantique à deux photons comble ces lacunes et ajoute de nouvelles capacités. En physique quantique, la lumière est traitée comme des particules discrètes appelées photons. Ces particules conservent certaines qualités ondulatoires, notamment l’interférence. Dans l’interféromètre quantique, un seul photon est envoyé dans chaque bras de l’interféromètre. Tout comme dans le cas classique, on passe par un échantillon, et on est une référence. Ils se rencontrent et leur retard relatif produit un signal d’interférence au niveau du détecteur.
La nature quantique de cette mesure surmonte le problème de la mesure des matériaux à faible transmission —la force de la signature d’interférence reste inchangée car la faible perte de transmission affecte les deux photons de manière égale.
Lualdi explique : “Tant que vous détectez deux photons dans le cadre de la mesure d’interférence, le contraste de votre signature d’interférence restera parfaitement correct, ce qui constitue un énorme avantage quantique.”
De plus, la sensibilité de l’interféromètre quantique est beaucoup moins impactée par la lumière de fond. La mesure du signal d’interférence est effectuée dans une fenêtre temporelle étroite de l’arrivée des photons’, autour de 100 picosecondes. Presque toute la lumière de fond peut être filtrée car elle n’arrive pas dans cette fenêtre étroite, ce qui signifie que la mesure quantique reste très sensible.
Il reste néanmoins difficile d’atteindre une sensibilité nanométrique avec l’interférométrie quantique à deux photons. En règle générale, pour atteindre ce niveau de précision, la mesure doit s’exécuter pendant des heures ou utiliser des photons ayant une large bande passante de couleur. De la même manière que la lumière blanche contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel dans son spectre, les photons peuvent également avoir une bande passante de couleur particulière. Ces photons à large bande passante sont très difficiles à travailler en laboratoire et des mesures de plusieurs heures ont une applicabilité limitée.
2-L’avantage Kwiat : Enchevêtrement de couleurs extrême
Les capacités de mesure par interférométrie quantique peuvent être augmentées en intriquant les deux photons. L’intrication est un phénomène quantique dans lequel les états de deux particules sont liés, quelle que soit la distance qui les sépare. En enchevêtrant une propriété des photons, en l’occurrence leur couleur, la sensibilité de l’interféromètre augmente. Le groupe Kwiat a contourné les problèmes techniques liés à l’utilisation de photons à large bande passante en utilisant deux photons intriqués à bande passante étroite qui ont été préparés pour avoir des couleurs très différentes.
Plus la différence dans les couleurs des photons intriqués’ est grande, plus la sensibilité de l’interféromètre est grande. Par exemple, l’intrication entre un photon rouge fraise et un photon rouge framboise (une différence de longueur d’onde de plusieurs dizaines de nanomètres) produira un signal d’interférence moins sensible qu’entre un photon rouge framboise et un photon bleu myrtille. Ce dernier est un exemple d’intrication extrême des couleurs.
“Avec l’enchevêtrement, il suffit de travailler avec un peu de bleu et un peu de rouge, au lieu de toute la gamme de couleurs entre eux”, explique Lualdi. Les couleurs réellement utilisées sont cependant invisibles à l’œil humain, avec des longueurs d’onde de 810 et 1 550 nanomètres.
L’équipe a expérimenté diverses sources lumineuses pour générer des photons aux couleurs extrêmes intriqués au début de ce projet. Leur conception ultime permet un taux de paires intriquées élevé de centaines de milliers par seconde, permettant des mesures plus rapides.
Après avoir développé ces avancées, l’équipe s’est concentrée sur la mesure d’échantillons réels. Le groupe a collaboré avec le professeur de génie électrique et informatique de l’Illinois Simeon Bogdanov et l’étudiante diplômée Swetapadma Sahoo pour créer un échantillon de film mince métallique à faible transmission optique —le type d’échantillon qui montrerait les avantages de leur technologie. Après avoir mesuré cet échantillon avec le nouvel interféromètre quantique, les chercheurs ont apporté l’échantillon au Laboratoire de recherche sur les matériaux pour une validation indépendante par microscopie à force atomique. Les résultats concordent. Le nouvel interféromètre a réalisé une mesure précise à l’échelle nanométrique en quelques secondes.
3-Future applications
Le nouvel outil interférométrique a de fortes implications pour des applications dans de nombreux domaines. L’équipe Kwiat se concentre désormais sur ces applications potentielles et les intégrations possibles avec d’autres outils de mesure.
Kwiat explique : “Nous essayons de comprendre comment nous pouvons adapter davantage cette technologie pour qu’elle soit utile pour d’autres mesures… en examinant des films minces d’échantillons biologiques, par exemple en microscopie, et en étant capable de combiner cela avec d’autres modalités de détection, comme la microscopie à force atomique.”
L’intensité lumineuse plus faible de la méthode Kwiat —leur source génère deux photons à la fois— ouvre des voies passionnantes pour l’étude biologique. On pourrait imaginer imager un tissu biologique sensible, comme le cerveau ou la rétine, plus rapidement et sur une zone plus grande que les techniques de pointe actuelles telles que la microscopie à force atomique. De plus, la plus faible intensité lumineuse permet d’étudier le comportement des micro-organismes photosensibles, tels que les algues, dans l’obscurité. Les méthodes d’imagerie actuelles nécessitent de mettre en lumière ces organismes, ce qui rend ce type d’observation impossible.
Le groupe étudie également actuellement la capacité de cette technologie à mesurer les vibrations, ce qui est beaucoup plus difficile à réaliser avec les technologies existantes.
Lualdi dit : “Comparé à d’autres interféromètres quantiques, notre système mesure plus rapidement et avec une précision plus élevée, et nous avons donc maintenant la possibilité d’étudier des signaux variant dans le temps, tels que les vibrations à l’échelle nanométrique par exemple.”
