L'intrication quantique double la résolution du microscope

Depuis les débuts de la mécanique quantique, les physiciens ont cherché à comprendre ses répercussions sur notre univers. L'une des conséquences les plus étranges de la théorie est l'intrication : le phénomène par lequel une paire ou un groupe de particules se connecte de telle manière que l'état d'une particule ne peut être décrit indépendamment. Au lieu de cela, son état est intrinsèquement corrélé à l'état des autres, même si les particules sont séparées par de grandes distances. Par conséquent, une mesure effectuée sur une particule dans un endroit isolé peut affecter l'état de son jumeau intriqué à distance.

Des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) aux États-Unis ont maintenant découvert un moyen d'utiliser cette propriété quantique pour doubler la résolution des microscopes optiques. La nouvelle technique, baptisée microscopie quantique par coïncidence (QMC), illustre l'avantage des microscopes quantiques par rapport aux microscopes classiques et pourrait avoir des applications dans l'imagerie non destructive de systèmes biologiques tels que les cellules cancéreuses.

Un microscope optique (lumière) peut résoudre des structures qui sont environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Rien de plus petit que cela ne peut être distingué. Par conséquent, une voie possible pour améliorer la résolution consiste à utiliser des intensités plus élevées et des longueurs d'onde de lumière plus courtes.

Mais il y a une mise en garde. Les longueurs d'onde plus courtes de la lumière ont des énergies plus élevées, et cette lumière hautement énergétique peut endommager l'objet en cours d'imagerie. Les cellules vivantes et autres matériaux organiques sont particulièrement fragiles.

Dans les derniers travaux, parus dans Nature Communications, une équipe dirigée par Lihong Wang a utilisé une paire de photons intriqués, ou biphotons, pour contourner ce barrage routier. Les photons qui composent la paire de biphotons n'ont pas d'identité individuelle et ils se comportent nécessairement comme un système composite. Mais, surtout, la longueur d'onde de ces photons composites est la moitié de la longueur d'onde d'un photon classique non intriqué à la même énergie. Par conséquent, une paire de biphotons transportant la même quantité d'énergie qu'un photon classique peut atteindre le double de la résolution.

Pour le démontrer, Wang et ses collègues ont utilisé un cristal pour diviser un photon entrant en une paire de biphotons intriqués composée d'un photon signal et d'un photon inactif. Ces biphotons voyagent le long de trajectoires symétriques conçues à l'aide d'un réseau de miroirs, de lentilles et de prismes. Le photon signal traverse le chemin contenant l'objet en cours d'imagerie, tandis que le photon oisif se déplace sans obstruction. Finalement, les deux photons atteignent une plaque de détection, qui enregistre les informations portées par le photon signal. Cette information est ensuite corrélée avec la détection de l'état du photon libre et utilisée pour créer une image.

Le concept d'utilisation de photons intriqués pour améliorer l'imagerie n'est pas nouveau, mais il était auparavant limité à l'imagerie d'objets plus grands. L'équipe de Caltech est la première à démontrer une configuration viable qui peut résoudre les détails jusqu'à l'échelle cellulaire. En utilisant les corrélations spatiales et temporelles entre les mesures du signal et des photons libres (qui n'existent pas pour les photons classiques), Wang et ses collègues ont également montré que la méthode QMC présente des avantages par rapport à la microscopie classique en termes de résistance au bruit et de contraste d'image.

Jusqu'à présent, l'équipe a démontré les avantages du QMC grâce à la bioimagerie des cellules cancéreuses (voir photo ci-dessus). Selon Wang, d'autres applications pourraient inclure l'imagerie non destructive de matériaux photosensibles tels que les molécules organiques et les dispositifs de mémoire. De plus, étant donné que QMC produit une double amélioration de la résolution du microscope, toutes les avancées futures de la microscopie classique pourraient être encore améliorées en tirant parti de cette propriété de la microscopie quantique.

Le microscope quantique utilise l'intrication pour révéler les structures biologiques

Mais alors que QMC est très prometteur, un défi majeur par rapport aux microscopes classiques de pointe est la vitesse. Les méthodes actuelles pour créer des photons intriqués sont inefficaces, ce qui entraîne une faible production de paires de biphotons. Étant donné que tout avantage de QMC repose sur sa capacité à générer une abondance de biphotons, le développement de méthodes permettant d'y parvenir sera crucial. "Le développement de sources quantiques fortes et/ou parallèles pour l'imagerie quantique devrait accélérer l'acquisition de données", a déclaré Wang à Physics World. Une fois que cela se produira, les techniques d'imagerie quantique seront véritablement à la pointe de la microscopie.