La physique quantique a la réponse pour fabriquer de meilleurs hologrammes

Autrefois, les hologrammes n'étaient qu'une curiosité scientifique. Mais grâce au développement rapide des lasers, ils ont progressivement pris le devant de la scène, apparaissant sur les images de sécurité des cartes de crédit et des billets dans les films de science-fiction – surtout Star Wars – et même «en direct» sur scène quand le rappeur mort depuis longtemps Tupac s'est réincarné pour les fans au festival de musique de Coachella en 2012.

L'holographie est le processus photographique consistant à enregistrer la lumière qui est dispersée par un objet et à la présenter en trois. manière dimensionnelle. Inventée au début des années 1950 par le physicien hongrois britannique Dennis Gabor, la découverte lui valut plus tard le prix Nobel de physique en 1971.

Au-delà des billets de banque, des passeports et des rappeurs controversés, l'holographie est devenue un incontournable outil pour d'autres applications pratiques, y compris le stockage de données, la microscopie biologique, l'imagerie médicale et le 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 pour identifier les spermatozoïdes pour les processus de FIV.

Mais maintenant nous avons découvert un nouveau type d'holographie quantique pour surmonter les limites des approches holographiques conventionnelles. Cette découverte révolutionnaire pourrait conduire à une imagerie médicale améliorée et accélérer les progrès de la science de l'information quantique . Il s'agit d'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 trajet d'un faisceau, appelé faisceau objet, illumine le sujet de l'holographie, avec la lumière réfléchie collectée par une caméra ou un film holographique spécial. Le trajet du deuxième faisceau, connu sous le nom de faisceau de référence, est renvoyé d'un miroir directement sur la surface de la collection sans toucher le sujet.

[Lire: Comment construire un gadget qui accepte les animaux? Nous avons interrogé des experts et des propriétaires d’animaux ]

L’hologramme est créé en mesurant les différences de phase de la lumière, là où les deux faisceaux se rencontrent. La phase est la quantité des ondes du sujet et des faisceaux 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 modèle de vague complexe dans l'espace qui contient à la fois des régions où les ondes s'annulent (creux) et d'autres où elles s'ajoutent (crêtes).

Interférence en général exige que la lumière soit «cohérente» – ayant la même fréquence partout. La lumière émise par un laser, par exemple, est cohérente, 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 de lumière appelées photons .

L'holographie conventionnelle repose fondamentalement sur la cohérence optique parce que, premièrement , la lumière doit interférer pour produire des hologrammes, et deuxièmement, la lumière doit être cohérente pour interférer. Cependant, la deuxième partie n'est pas entièrement vraie car il existe certains types de lumière qui peuvent être à la fois incohérents et produire des interférences. C'est le cas de la lumière constituée de photons intriqués, émise par une source quantique sous la forme d'un flux de particules groupées par paires – photons intriqués.

Ces paires portent une propriété unique appelée intrication quantique. Lorsque deux particules sont enchevêtrées, elles sont intrinsèquement liées et agissent effectivement comme un seul objet, même si elles peuvent être séparées dans l'espace. En conséquence, 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. Lorsqu'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 onde .

Une telle particule-onde La propriété duality lui permet non seulement de sonder l'épaisseur de l'objet à l'endroit précis où il l'a heurté (comme le ferait une particule plus grosse), mais de mesurer son épaisseur sur toute sa longueur en une seule fois. 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 faisceaux, 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 rendu possible par la présence d'un enchevêtrement 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 une meilleure résilience au bruit. En effet, l'intrication quantique est une propriété intrinsèquement difficile d'accès et de contrôle, et qui présente donc l'avantage d'être moins sensible aux écarts externes.

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

Cet article de Hugo Defienne Maître de conférences et boursière Marie Curie, École de physique et d'astronomie, Université de Glasgow est republiée à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original .