Mise au point des premiers « hologrammes quantiques »

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Pour la première fois, un hologramme a été créé grâce à l’intrication quantique, c’est-à-dire avec des photons intriqués. Cette nouvelle technique pourrait développer l’usage des hologrammes dans l’imagerie médicale entre autres.

 

Dans un article de recherche publié dans Nature Physics, des scientifiques de l’université de Glasgow expliquent comment ils ont exploité l’intrication quantique pour passer outre certaines limites des hologrammes. Par ce biais, ils ont pu encoder une information stable dans l’hologramme et le projeter en haute résolution.

Imagerie de type fantôme de Pepper

L’holographie est une technique fondamentale de caractérisation et d’imagerie qui peut être appliquée à l’ensemble du spectre électromagnétique, des rayons X aux ondes radio ou même aux particules telles que les neutrons. Il faut la distinguer des illusions du type fantôme de Pepper que l’on retrouve dans certains films de science-fiction.

À la différence de la photographie, l’holographie se matérialise par une représentation d’un volume en trois dimensions. En règle générale, un hologramme s’obtient grâce à un faisceau laser divisé en deux. Une partie de l’onde est dirigée vers un miroir (ou surface en verre) et l’autre sur l’objet. L’interaction des ondes, qui se rejoignent ensuite, permet de recréer l’objet en 3D.

Le problème des techniques classiques est qu’elles sont limitées à cause des interférences dues à des sources lumineuses externes, indésirables, ou encore l’instabilité mécanique de ce procédé. « Le processus que nous avons développé nous libère de ces limitations et introduit l’holographie dans le domaine quantique », indique Hugo Defienne à l’origine de l’article publié sur le site de l’université de Glasgow.

Le principe de l’hologramme quantique

Un rayon laser est pareillement divisé en deux ondes. Mais celles-ci ne se rejoignent jamais et les scientifiques utilisent l’intrication quantique. L’intrication quantique ou enchevêtrement se matérialise par un lien qui relie une paire de particules distantes. Quand elles sont intriquées, elles forment un système en interaction constante, quelle que soit la distance qui les sépare et si quelque chose modifie la première particule, alors cela affecte également la seconde. Avec l’hologramme quantique, les particules enchevêtrées sont des photons.

Les scientifiques ont projeté un rayon de lumière au travers d’un cristal, le bêta-borate de baryum, provoquant la division en deux ondes du rayon dont les photons sont enchevêtrés.

Processus de projection d’hologramme par intrication quantique. Source : Université de Glasgow

L’ onde A est dirigée vers l’objet cible, dont le volume est mesuré par la décélération des photons qui le traversent. C’est la polarisation : l’onde prend alors une forme différente en fonction de l’épaisseur de l’objet qu’elle traverse. Pour faire simple, l’onde A qui traverse l’objet contient toutes les informations sur la forme de l’objet. Une caméra très haute résolution («  10 000 pixels par image pour chaque photon intriqué ») vient enregistrer ces informations en temps réel.

Ensuite c’est l’onde B qui va permettre de produire l’hologramme. Celle-ci passe au travers d’un modulateur spatial de lumière, un appareil qui modifie la forme d’une onde lumineuse. Cette onde B projette alors l’hologramme de l’objet, et ce, sans que jamais les deux ondes ne se rejoignent, puisque les photons sont intriqués. Les photons de l’onde B prennent simultanément la forme de ceux de l’onde B, qui a traversé l’objet.

Une opportunité pour les usages médicaux

Lors de ce processus, l’interaction entre les deux ondes se fait à distance, grâce à l’action fantomatique de l’intrication quantique. La plupart des limitations dues à la technique traditionnelle, où les ondes doivent se rejoindre, ne sont plus un problème avec cette mécanique quantique. « L’utilisation de photons enchevêtrés offre de nouveaux moyens de créer des hologrammes plus nets et plus riches en détail, ce qui ouvre de nouvelles possibilités d’applications pratiques de la technique », écrivent les scientifiques.

Cette nouvelle technologie pourrait s’avérer très utile dans un cadre médical : « Une de ces applications pourrait être l’imagerie médicale, où l’holographie est déjà utilisée en microscopie pour examiner les détails d’échantillons délicats qui sont souvent presque transparents, indique Hugo Defienne. Notre procédé permet la création d’images à plus haute résolution et à faible bruit, ce qui pourrait aider à révéler des détails plus fins des cellules et nous aider à en apprendre davantage sur le fonctionnement de la biologie au niveau cellulaire. »

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