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Actuellement, les techniques d’imagerie reposant sur les rayons X font partie des méthodes d’imagerie les plus utilisées à travers le monde, que ce soit pour sonder la matière en laboratoire ou le corps humain dans le domaine médical. Cependant, l’imagerie par rayons X souffre d’un problème important : le bruit de fond généré lors de la détection. Pour corriger cela, une équipe de physiciens a récemment développé un système d’imagerie quantique par rayons X utilisant des corrélations photoniques, réduisant ainsi considérablement le bruit de fond.

Les relations entre les paires de photons sur les échelles quantiques peuvent être exploitées pour créer des images plus nettes, à résolution plus élevée que l’optique classique. Ce domaine émergent s’appelle l’imagerie quantique et présente un potentiel vraiment impressionnant, en particulier parce que, grâce à la lumière optique, il peut être utilisé pour montrer des objets qui ne peuvent généralement pas être vus, comme des os et des organes. L’étude a été publiée dans la revue Physical Review X.

La corrélation quantique décrit un certain nombre de relations différentes entre les paires de photons. L’intrication est l’une d’entre elles et est appliquée en imagerie quantique optique. Cependant, les défis techniques liés à la génération de photons intriqués dans les longueurs d’onde des rayons X sont considérablement plus importants que ceux de la lumière optique. L’équipe a donc adopté une approche différente lors de la construction de leur système à rayons X quantiques.

L’illumination quantique pour réduire le bruit de fond

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée illumination quantique pour minimiser les bruits de fond. Habituellement, elle implique l’utilisation de photons intriqués, mais des corrélations plus faibles fonctionnent également. À l’aide d’un processus appelé PDC (Parametric Down-Conversion), les chercheurs ont divisé un photon de haute énergie en deux photons de plus basse énergie, appelés photons de signal et photons libres.

« Plusieurs auteurs ont démontré l’existence d’une PDC pour les rayons X, et l’application de l’effet en tant que source d’imagerie fantôme a récemment été démontrée. Cependant, dans toutes les publications précédentes, les statistiques sur les photons n’ont pas encore été mesurées » écrivent les chercheurs.

« À ce jour, il n’existe aucune preuve expérimentale montrant que les photons générés par la PDC présentent des statistiques sur les états quantiques de rayonnement. La sensibilité de mesure améliorée quantique n’a jamais été observée concernant les longueurs d’onde des rayons X ».

Des corrélations entre photons à l’origine d’une image plus nette

Les chercheurs ont réalisé leur PDC pour rayons X avec un cristal de diamant. La structure non linéaire du cristal divise un faisceau de photons de rayons X de pompage en photons de signal et en photons libres, chacun avec la moitié de l’énergie du faisceau de pompage. Normalement, ce processus est très inefficace avec les rayons X. L’équipe a donc augmenté la puissance. À l’aide du synchrotron SPring-8 au Japon, ils ont projeté un faisceau de rayons X de 22 KeV sur leur cristal, qui s’est scindé en deux faisceaux de 11 KeV.

dispositif imagerie

Schéma du dispositif expérimental utilisé par les chercheurs. Crédits : S. Sofer et al. 2019

Le faisceau de signal est envoyé vers l’objet à imager – dans le cas de cette recherche, un petit morceau de métal à trois fentes — avec un détecteur de l’autre côté. Le faisceau de photons libres est envoyé directement sur un autre détecteur. Ceci est configuré pour que chaque faisceau atteigne son détecteur respectif au même endroit et au même moment.

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« La relation temps-énergie parfaite que nous avons observée ne peut signifier que la corrélation quantique entre les deux photons » déclare le physicien Sason Sofer de l’université Bar-Ilan en Israël.

Les chercheurs ont ensuite comparé leurs détections. Il y avait seulement environ 100 photons corrélés par point dans l’image et environ 10’000 photons de fond supplémentaires. Mais les scientifiques pouvaient associer chaque photon libre à un signal, afin de pouvoir déterminer quels photons de l’image étaient issus du faisceau, afin de séparer facilement le bruit de fond.

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reconstruction image

Reconstruction de l’image de l’objet à trois fentes par (a) le rayonnement quantique, (b) le rayonnement classique et (c) le comptage classique par coïncidence. Le bruit de fond obtenu en (a) est considérablement atténué. Crédits : S. Sofer et al. 2019

Ils ont ensuite comparé ces images à des images prises avec des photons réguliers non corrélés — et les photons corrélés ont clairement produit une image beaucoup plus nette. Les travaux des physiciens n’en sont qu’au début, mais les perspectives offertes par cette nouvelle technique sont prometteuses.

L’imagerie quantique par rayons X : une avancée prometteuse

Cette méthode pourrait réduire la quantité de rayonnement requise pour l’imagerie par rayons X. Cela signifierait que des échantillons facilement endommagés par les rayons X pourraient être imagés, ou des échantillons nécessitant des températures basses ; moins de rayonnement signifie moins de chaleur. Cela pourrait également permettre aux physiciens de sonder les noyaux atomiques avec des rayons X pour voir ce qu’ils renferment.

De toute évidence, étant donné que ces rayons X quantiques nécessitent un accélérateur de particules, les applications médicales ne sont actuellement pas abordées. L’équipe a démontré que cela pouvait être fait, mais la réduction de la taille sera délicate. Actuellement, déterminer si les photons sont intriqués est la prochaine étape. Cela nécessiterait que l’arrivée des photons aux détecteurs soit mesurée à une échelle attoseconde, ce qui dépasse notre technologie actuelle.

« Nous avons démontré notre capacité à utiliser les fortes corrélations temps-énergie des paires de photons pour la photodétection quantique améliorée. La procédure que nous avons présentée offre un grand potentiel d’amélioration des performances des mesures de rayons X. Nous prévoyons que ces travaux ouvriront la voie à davantage de schémas de détection à rayons X par amélioration quantique, notamment dans le domaine de la diffraction et de la spectroscopie » concluent les chercheurs.

Sources : Physical Review X

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