Les hologrammes quantiques pourraient créer des images ridiculement détaillées de nos corps et de nos cellules

Autrefois, les hologrammes n'étaient qu'une curiosité scientifique. Mais grâce au développement rapide des lasers, ils ont progressivement occupé le devant de la scène, apparaissant sur les images de sécurité des cartes de crédit et des billets de banque, dans les films de science-fiction - le plus mémorable Guerres des étoiles – et même 'live' sur scène quand rappeur mort depuis longtemps Tupac s'est réincarné pour les fans au festival de musique de Coachella en 2012.

Holographie est le processus photographique consistant à enregistrer la lumière diffusée par un objet et à la présenter de manière tridimensionnelle. Inventé au début des années 1950 par le physicien hongrois-britannique Dennis Gabor, le Découverte lui a valu plus tard le prix Nobel de physique en 1971.

Au-delà des billets de banque, des passeports et des rappeurs controversés, l'holographie est devenue un outil essentiel pour d'autres applications pratiques, notamment le stockage de données, la microscopie biologique, l'imagerie médicale et le diagnostic médical.

Dans une technique appelée microscopie holographique, les scientifiques fabriquent des hologrammes pour déchiffrer les mécanismes biologiques dans les tissus et les cellules vivantes. Par exemple, cette technique est couramment utilisée pour analyser les globules rouges afin de détecter la présence de paludisme parasites et d'identifier les spermatozoïdes pour les processus de FIV.

Mais maintenant nous avons découvert un nouveau type d'holographie quantique pour surmonter les limites des approches holographiques conventionnelles.

Cette découverte révolutionnaire pourrait conduire à l'amélioration de l'imagerie médicale et accélérer l'avancée des science de l'information quantique . Il s'agit d'un domaine scientifique qui couvre toutes les technologies basées sur la physique quantique , y compris l'informatique quantique et les communications quantiques.

Comment fonctionnent les hologrammes

L'holographie classique crée des rendus bidimensionnels d'objets tridimensionnels avec un faisceau de lumière laser divisé en deux chemins.

Le trajet d'un faisceau, connu sous le nom de faisceau objet, illumine le sujet de l'holographie, avec la lumière réfléchie collectée par une caméra ou un film holographique spécial.

Le trajet du deuxième faisceau, appelé faisceau de référence, est renvoyé d'un miroir directement sur la surface de collecte sans toucher le sujet.

L'hologramme est créé en mesurant les différences de phase de la lumière, là où les deux faisceaux se rencontrent. La phase est la quantité d'ondes des faisceaux du sujet et de l'objet qui se mélangent et interfèrent les unes avec les autres.

Un peu à la manière des vagues à la surface d'une piscine, le phénomène d'interférence crée dans l'espace un schéma ondulatoire complexe qui contient à la fois des régions où les vagues s'annulent (creux), et d'autres où elles s'additionnent (crêtes).

Les interférences exigent généralement que la lumière soit « cohérente », c'est-à-dire qu'elle ait partout la même fréquence. La lumière émise par un laser, par exemple, est cohérente, et c'est pourquoi ce type de lumière est utilisé dans la plupart des systèmes holographiques.

Holographie avec enchevêtrement

La cohérence optique est donc vitale pour tout processus holographique. Mais notre nouvelle étude contourne le besoin de cohérence en holographie en exploitant quelque chose appelé ' intrication quantique ' entre des particules légères appelées photons .

L'holographie conventionnelle repose fondamentalement sur la cohérence optique car, premièrement, la lumière doit interférer pour produire des hologrammes, et deuxièmement, la lumière doit être cohérente pour interférer. Cependant, la deuxième partie n'est pas entièrement vraie car certains types de lumière peuvent être à la fois incohérents et produire des interférences.

C'est le cas de la lumière constituée de photons intriqués, émise par une source quantique sous la forme d'un flux de particules regroupées par paires – les photons intriqués.

Ces paires portent une propriété unique appelée intrication quantique . Lorsque deux particules sont intriquées, elles sont intrinsèquement liées et agissent effectivement comme un seul objet, même si elles peuvent être séparées dans l'espace. Par conséquent, toute mesure effectuée sur une particule intriquée affecte le système intriqué dans son ensemble.

Dans notre étude, les deux photons de chaque paire sont séparés et envoyés dans deux directions différentes.

Un photon est envoyé vers un objet, qui pourrait être, par exemple, une lame de microscope avec un échantillon biologique dessus. Lorsqu'il frappe l'objet, le photon sera légèrement dévié ou un peu ralenti en fonction de l'épaisseur du matériau de l'échantillon qu'il a traversé. Mais, en tant qu'objet quantique, un photon a la propriété surprenante de se comporter non seulement comme un particule , mais aussi simultanément en tant que vague .

Tel dualité onde-particule La propriété lui permet non seulement de sonder l'épaisseur de l'objet à l'endroit précis où il l'a frappé (comme le ferait une particule plus grosse), mais de mesurer son épaisseur sur toute sa longueur en une seule fois. L'épaisseur de l'échantillon – et donc sa structure tridimensionnelle – devient « imprimée » sur le photon.

Parce que les photons sont intriqués, la projection imprimée sur un photon est simultanément partagée par les deux.

Le phénomène d'interférence se produit alors à distance, sans qu'il soit nécessaire de superposer les faisceaux, et un hologramme est finalement obtenu en détectant les deux photons à l'aide de caméras distinctes et en mesurant les corrélations entre eux.

Comment un hologramme est créé à l'aide de photons intriqués. (Université de Glasgow)

L'aspect le plus impressionnant de cette approche holographique quantique est que le phénomène d'interférence se produit même si les photons n'interagissent jamais les uns avec les autres et peuvent être séparés par n'importe quelle distance - un aspect appelé «non-localité» - et est activé par la présence de intrication quantique entre les photons.

Ainsi, l'objet que nous mesurons et les mesures finales pourraient être effectuées aux extrémités opposées de la planète.

Au-delà de cet intérêt fondamental, l'utilisation de l'intrication au lieu de la cohérence optique dans un système holographique offre des avantages pratiques tels qu'une meilleure stabilité et une meilleure résistance au bruit. En effet, l'intrication quantique est une propriété intrinsèquement difficile d'accès et de contrôle, et a donc l'avantage d'être moins sensible aux déviations externes.

Ces avantages nous permettent de produire des images biologiques de bien meilleure qualité que celles obtenues avec les techniques de microscopie actuelles. Bientôt, cette approche holographique quantique pourrait être utilisée pour démêler des structures et des mécanismes biologiques à l'intérieur des cellules qui n'avaient jamais été observés auparavant.

Hugo Défense , maître de conférences et Marie Curie Fellow, École de physique et d'astronomie, Université de Glasgow .

Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original .