Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique basée sur une technologie de caméra avancée pour observer l’intrication quantique de photons en temps réel. Cette approche rapide et efficace pour reconstruire l’état quantique complet des particules intriquées offre une nouvelle perspective sur les états quantiques. Elle pourrait apporter de nouvelles connaissances clés pour améliorer les systèmes d’imagerie et de métrologie quantiques.
Malgré les avancées et les percées en physique quantique, l’intrication quantique reste au cœur des débats. Ce phénomène contre-intuitif, où deux particules semblent connectées quelque soit la distance qui les séparent, est au cœur de nombreuses recherches.
Récemment, des chercheurs de l’Université d’Ottawa, en collaboration avec Danilo Zia et Fabio Sciarrino de l’Université Sapienza de Rome, ont démontré une nouvelle technique qui permet de visualiser en temps réel cette interaction subtile entre les photons, les particules élémentaires qui constituent la lumière. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature Photonics.
Cette percée, alliant des techniques d’holographie à la mécanique quantique, promet d’ouvrir la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l’imagerie et de la métrologie.
Des fonctions d’onde difficiles à capturer
La fonction d’onde, principe central de la mécanique quantique, permet une compréhension globale de l’état quantique d’une particule. Elle permet aux scientifiques de prédire les résultats probables de diverses mesures sur une entité quantique, par exemple la position, la vitesse, etc. Cette capacité prédictive est inestimable, en particulier dans le domaine en évolution rapide de la technologie quantique, où la connaissance d’un état quantique qui est généré ou entré dans un ordinateur quantique permet de tester l’ordinateur lui-même.
Connaître la fonction d’onde d’un tel système quantique est une tâche difficile – également connue sous le nom de tomographie d’état quantique. Avec les approches standards (basées sur les opérations dites projectives), une tomographie complète nécessite un grand nombre de mesures qui augmente rapidement avec la complexité du système (dimensionnalité). Mesurer l’état quantique de haute dimension de deux photons intriqués peut prendre des heures, voire des jours.
Holographie biphotonique, une solution innovante
Face à la complexité de mesure, les chercheurs se sont tournés vers une technique interférométrique, basée sur l’interaction des ondes. Inspirée de l’holographie numérique, cette technique permet de créer des images 3D d’objets à partir de la lumière qu’ils diffusent. Les auteurs l’ont appliquée dans le cas de deux photons intriqués.
Reconstruire un état biphotonique nécessite de le superposer à un état quantique connu, puis d’analyser la distribution spatiale des positions où deux photons arrivent simultanément. L’imagerie de l’arrivée simultanée de deux photons est connue sous le nom d’image de coïncidence. En comparant ces deux états, il est possible d’extraire des informations sur l’état inconnu.
Pour réaliser cette imagerie de manière efficace, les chercheurs ont utilisé des caméras à estampillage temporel. Elles enregistrent les événements avec une résolution de l’ordre de la nanoseconde sur chaque pixel. En combinant ces techniques et outils, les chercheurs ont pu visualiser en temps réel la « danse » des photons intriqués, selon un communiqué.
Applications pratiques et implications
L’holographie biphotonique émerge comme une proposition novatrice dans le domaine de l’imagerie quantique. Au lieu de se contenter de capturer des images traditionnelles, cette technique vise à reconstruire des objets de phase, c’est-à-dire des objets qui modifient la phase de la lumière sans nécessairement absorber ou diffuser cette dernière.
La mise en application de l’holographie biphotonique ne se limite pas à un simple cadre théorique. Elle a été concrètement testée sur des faisceaux de pompage, des sources lumineuses utilisées pour stimuler des processus optiques. Ces faisceaux ont été orientés dans différentes configurations de propagation de la lumière.
Les résultats ont mis en évidence des phénomènes physiques profonds, notamment la conservation du moment angulaire orbital. Ce moment est une mesure de la quantité de rotation d’une onde lumineuse autour de son axe de propagation. De plus, ces expériences ont démontré la capacité de générer des états de Bell à haute dimension. Ces états sont des configurations d’intrication quantique qui jouent un rôle central dans les tests de non-localité et les fondements de la mécanique quantique.
Cette avancée dans la visualisation des états quantiques ouvre la voie à de nouvelles applications en imagerie et métrologie quantiques. La capacité de visualiser et de mesurer avec précision les états quantiques complexes est essentielle pour le développement futur de la technologie quantique.