Une percée en imagerie pourrait aider au développement de microscopes quantiques

Une percée dans l’imagerie quantique pourrait conduire au développement de formes avancées de microscopie à utiliser dans la recherche médicale et le diagnostic.

Une équipe de physiciens de l’Université de Glasgow et de l’Université Heriot-Watt a trouvé une nouvelle façon de créer des images microscopiques détaillées dans des conditions qui feraient échouer les microscopes optiques conventionnels.

Dans un nouvel article publié aujourd’hui dans la revue Photonique de la naturel’équipe décrit comment elle a généré des images en trouvant une nouvelle façon d’exploiter un phénomène quantique connu sous le nom d’interférence Hong-Ou-Mandel (HOM).

Nommée d’après les trois chercheurs qui l’ont démontrée pour la première fois en 1987, l’interférence HOM se produit lorsque des photons intriqués quantiques passent à travers un séparateur de faisceau – un prisme en verre qui peut transformer un seul faisceau de lumière en deux faisceaux distincts lors de son passage. A l’intérieur du prisme, les photons peuvent être réfléchis à l’intérieur ou transmis vers l’extérieur.

Lorsque les photons sont identiques, ils sortent toujours du séparateur dans la même direction, un processus connu sous le nom de « groupement ». Lorsque les photons intriqués sont mesurés à l’aide de photodétecteurs à l’extrémité du trajet du faisceau de lumière divisé, un “ creux ” caractéristique dans le graphique de probabilité de sortie de la lumière montre que les photons regroupés n’atteignent qu’un seul détecteur et pas l’autre.

Ce creux est l’effet Hong-Ou-Mandel, qui démontre l’intrication parfaite de deux photons. Il a été utilisé dans des applications telles que les portes logiques des ordinateurs quantiques, qui nécessitent un enchevêtrement parfait pour fonctionner.

Il a également été utilisé dans la détection quantique en plaçant une surface transparente entre une sortie du séparateur de faisceau et le photodétecteur, introduisant un très léger retard dans le temps nécessaire à la détection des photons. Une analyse sophistiquée du retard peut aider à reconstruire des détails tels que l’épaisseur des surfaces.

Maintenant, l’équipe dirigée par Glasgow l’a appliqué à la microscopie, en utilisant des caméras sensibles à un seul photon pour mesurer les photons groupés et anti-groupés et résoudre les images microscopiques des surfaces.

Dans l’article de Nature Photonics, ils montrent comment ils ont utilisé leur configuration pour créer des images haute résolution d’acrylique transparent pulvérisé sur une lame de microscope avec une profondeur moyenne de 13 microns et un ensemble de lettres épelant “UofG” gravées sur un morceau de verre à environ 8 microns de profondeur.

Leurs résultats démontrent qu’il est possible de créer des images détaillées et à faible bruit de surfaces avec une résolution comprise entre 1 et 10 microns, produisant des résultats proches de ceux d’un microscope conventionnel.

Le professeur Daniele Faccio, de l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Glasgow, est l’auteur principal de l’article. Le professeur Faccio a déclaré : « La microscopie conventionnelle utilisant la lumière visible nous a beaucoup appris sur le monde naturel et nous a aidés à faire un nombre incroyable d’avancées technologiques.

“Cependant, il présente certaines limites qui peuvent être surmontées en utilisant la lumière quantique pour sonder le domaine microscopique. En bioimagerie, où les cellules peuvent être presque entièrement transparentes, être capable d’examiner leurs moindres détails sans utiliser la lumière conventionnelle pourrait être un avantage majeur— nous avons choisi d’imager des surfaces transparentes dans cette recherche précisément pour démontrer ce potentiel.

“De même, les échantillons dans les microscopes conventionnels doivent rester parfaitement immobiles – l’introduction même d’une petite vibration pourrait introduire un niveau de flou qui ruinerait une image. Cependant, l’interférence HOM ne nécessite que la mesure des corrélations de photons et il y a beaucoup moins besoin de stabilité.

“Maintenant que nous avons établi qu’il est possible de construire ce type de microscopie quantique en exploitant l’effet Hong-Ou-Mandel, nous souhaitons améliorer la technique pour permettre de résoudre des images à l’échelle nanométrique. Cela nécessitera une ingénierie intelligente. … à réaliser, mais la perspective de pouvoir voir clairement des caractéristiques extrêmement petites comme des membranes cellulaires ou même des brins d’ADN est passionnante. Nous sommes impatients de continuer à affiner notre conception.