Un nouveau microscope quantique offre une capacité d’observation révolutionnaire

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| Laser Focus

L’avènement de la technologie laser a permis d’obtenir des lumières plus intenses et concentrées qui, utilisées dans la microscopie, ont offert la possibilité aux scientifiques d’observer des détails à très petites échelles. Cependant, la microscopie laser comporte un problème : les échantillons peuvent être rapidement dégradés dans le processus. Pour contourner cet obstacle, une équipe de chercheurs a mis au point une méthode de microscopie basée sur l’intrication quantique. Cette dernière leur a permis d’observer des détails encore plus précisément sans poser de dangers à l’échantillon. 

Dans un article publié dans la revue Nature, des chercheurs australiens et allemands ont montré que les technologies quantiques offrent une solution aux problèmes posés par la microscopie laser. Ils ont construit un microscope quantique qui peut sonder plus doucement des échantillons biologiques, ce qui leur a permis d’observer des structures biologiques qui seraient autrement impossibles à voir.

La création d’un microscope évitant les dommages aux échantillons est une étape très attendue dans la technologie quantique. Elle représente une première étape dans une nouvelle ère passionnante pour la microscopie, et plus largement pour les technologies de détection. Les microscopes ont une longue histoire. On pense qu’ils ont été inventés pour la première fois par le fabricant de lentilles néerlandais Zacharias Janssen au tournant du XVIIe siècle. Il les a peut-être utilisés pour contrefaire des pièces de monnaie.

Le problème posé par la microscopie laser

Ce début mouvementé a conduit à la découverte des bactéries, des cellules et essentiellement de toute la microbiologie telle que nous la comprenons maintenant. L’invention plus récente des lasers a fourni un nouveau type de lumière focalisée. Cela a rendu possible une toute nouvelle approche de la microscopie. Les microscopes laser nous permettent de voir la biologie avec des détails vraiment profonds, 10 000 fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu humain.

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Ils ont fait l’objet du prix Nobel de chimie en 2014 et ont transformé notre compréhension des cellules et des molécules comme l’ADN qu’elles contiennent. Cependant, les microscopes laser sont confrontés à un problème majeur. La qualité même qui fait leur succès – leur intensité – est aussi leur talon d’Achille. Les meilleurs microscopes laser utilisent une lumière des milliards de fois plus brillante que la lumière du Soleil sur Terre. Dans un microscope laser, les échantillons biologiques peuvent être dégradés ou détruits en quelques secondes.

Les bénéfices de l’intrication quantique

D’autres microscopes doivent augmenter l’intensité du laser pour améliorer la clarté des images. En réduisant le bruit via l’intrication quantique des photons du laser, celui-ci est capable d’améliorer la clarté sans augmenter l’intensité. Alternativement, il est possible d’utiliser un laser moins intense pour produire les mêmes performances de microscope.

L’un des principaux défis consistait à produire une intrication quantique suffisamment lumineuse pour un microscope laser. Pour ce faire, les chercheurs ont concentré les photons en impulsions laser de quelques milliardièmes de seconde seulement. Cela a produit une intrication 1 000 milliards de fois plus lumineuse que ce qui était auparavant utilisé en imagerie.

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Ces images, prises avec le nouveau microscope, montrent des vibrations moléculaires dans une partie d’une cellule de levure. L’image de gauche utilise l’intrication quantique, tandis que l’image de droite utilise la lumière laser conventionnelle. L’image de gauche montre bien plus de détails, comme les régions où les graisses sont stockées dans la cellule (les taches sombres) et la paroi cellulaire (la structure semi-circulaire). © Warwick Bowen

Lorsqu’elle est utilisée dans un microscope, cette lumière laser intriquée fournit une clarté d’image 35 % supérieure à ce qui est autrement possible sans détruire l’échantillon. Les auteurs ont utilisé le microscope pour imager les vibrations des molécules dans une cellule vivante. Cela leur a permis de voir une structure détaillée qui aurait été invisible avec les approches traditionnelles.

Technologie quantique : une révolution dans de nombreux domaines

Les technologies quantiques devraient avoir des applications révolutionnaires dans l’informatique, les communications et la détection. L’intrication quantique sous-tend bon nombre de ces applications. Un défi majeur pour les chercheurs en technologie quantique est de montrer qu’elle offre des avantages absolus par rapport aux méthodes actuelles.

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L’intrication est déjà utilisée par les institutions financières et les agences gouvernementales pour communiquer avec une sécurité garantie. Elle est également au cœur des ordinateurs quantiques, dont Google a montré en 2019 qu’ils peuvent effectuer des calculs qui seraient impossibles avec les ordinateurs conventionnels actuels.

Les capteurs quantiques sont la dernière pièce de ce puzzle. Ils devraient améliorer à peu près tous les aspects de notre vision du monde, d’une meilleure navigation à de meilleurs soins de santé et diagnostics médicaux. Il y a environ un an, l’intrication quantique a été intégrée dans des observatoires d’ondes gravitationnelles à l’échelle kilométrique. Cela permet aux scientifiques de détecter des objets massifs plus loin dans l’espace.

Ce travail montre que l’intrication peut fournir un avantage de détection absolu à des échelles de taille plus normales et dans des technologies répandues. Cela pourrait avoir de grandes ramifications — non seulement pour la microscopie, mais aussi pour de nombreuses autres applications telles que le positionnement global, le radar et la navigation.

Sources : Nature

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