Un nouveau microscope optique franchit la «limite de diffraction» grâce à des photons à intrication quantique
Malgré d’énormes progrès technologiques qui ont permis d’améliorer la qualité des images, la microscopie optique est confrontée à des limites en termes de résolution découlant des lois propres à la physique. Lorsque l’on parle de systèmes d’imagerie optique, la «limite de diffraction» fait référence au moment où la diffraction limite le pouvoir de résolution, c’est-à-dire à la propagation des ondes lumineuses lorsqu’elles contournent un matériau ou passent à travers une ouverture étroite. Or, un échantillon à l’échelle nanométrique peut-être comparé à une petite ouverture. Le projet SUPERTWIN, financé par l’UE, a intégré des photons intriqués à un microscope optique pionnier capable de dépasser la limite de diffraction, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre sur le monde quantique.
Super-jumelage des photons
La plus petite longueur d’onde (λ) de la lumière visible est de 400 nanomètres (nm), ce qui correspond à la lumière violette. La limite de Rayleigh, la barrière optique ou intuitivement la plus petite différence discernable, est définie comme λ/2 pour toute longueur d’onde donnée; cela signifie que notre meilleure résolution «classique» est d’environ 200 nanomètres. Par exemple, un virus de la grippe de 80 à 120 nanomètres est flou lorsqu’il est observé au microscope optique standard. Pour surmonter cet obstacle, SUPERTWIN a exploité le phénomène des états intriqués. Le coordinateur du projet, Matteo Perenzoni, rattaché à la Fondation Bruno Kessler, explique: «Les états de photons super-jumelés, également appelés états intriqués à N parties, sont des ensembles constitués de N photons d’une longueur d’onde donnée qui partagent des propriétés physiques quantiques identiques; vous ne pouvez pas en décrire un sans tenir compte des autres. Les N photons enchevêtrés de longueur d’onde λ se comportent collectivement comme une seule entité de longueur d’onde λ/N (appelée longueur d’onde de De Broglie) et par conséquent la limite de Rayleigh devient λ/2N. Par exemple, avec 5 photons intriqués à une longueur d’onde de 400 nm, nous pourrions théoriquement obtenir une résolution de 40 nm.»
Générer les pièces du puzzle avant de le reconstituer
Les scientifiques de SUPERTWIN nécessitaient un dispositif pour produire des photons séparés mais intriqués, un système pour détecter les photons individuels lorsqu’ils sont réfléchis, et un moyen mathématique pour traiter leurs caractéristiques et les relier à celles de l’objet d’intérêt. «Un cadre théorique a soutenu le développement d’une source de lumière non-classique à l’état solide et d’états lumineux corrélés non-classiques», explique le coordinateur scientifique et technique du projet, Dmitri Boiko, rattaché au Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM). Un capteur d’images quantiques à haute résolution permet la détection ultrarapide d’un seul photon pour la corrélation des états intriqués à N-parties. Matteo Perenzoni met en avant l’enthousiasme de l’équipe à l’idée de partager cet important résultat avec la communauté scientifique et indique que cette dernière a déjà reçu de nombreuses demandes d’évaluation, tant en Europe qu’à l’étranger. Enfin, un algorithme de reconstruction quantique assemble les pièces du puzzle, améliorant ainsi la résolution de manière itérative.
Assembler le tout
Matteo Perenzoni résume: «Le prototype de microscope SUPERTWIN exploitant des photons intriqués non-classiques permet d’obtenir des images qui dépassent la limite de la résolution de Rayleigh. Cette capacité sans précédent est encore renforcée par la démonstration imprévue de la discrimination quantique des photons classiques, obtenue en détectant des arrivées de biphotons corrélées sur la base de leur longueur d’onde de De Broglie et en utilisant un masque à fente pour ne transmettre que les états de photons non-classiques.» De ces outils devraient découler des découvertes dans de nombreux domaines susceptibles d’impacter les citoyens, des soins de santé de précision personnalisés aux communications rapides, par le biais de réseaux quantiques sécurisés. Dmitri Boiko conclut: «Nous avons non seulement amélioré la résolution microscopique, mais nous avons également fourni un nouvel ensemble d’outils merveilleux pour la génération, la détection et le traitement de la lumière. Nos ressources quantiques résolument novatrices promouvront la recherche et le développement de solutions quantiques et serviront de “lunettes” pour examiner de plus près les bizarreries du monde quantique à l’échelle nanométrique.»
Mots‑clés
SUPERTWIN, photon, quantique, résolution, photons intriqués, états intriqués, limite de diffraction, limite de Rayleigh, longueur d’onde de De Broglie, microscopie, N-parties, état solide
