Imagerie quantique à pixel unique sans interaction avec des photons non détectés

Pour capturer une image d’un objet, un photographe a généralement besoin d’une source de lumière interagissant et se diffusant loin de cet objet d’intérêt, et d’un procédé pour détecter la lumière dispersée loin de cet objet, ainsi qu’un détecteur avec une résolution spatiale. Cependant, ces ingrédients de la photographie limitent l’imagerie des échantillons biologiques/sensibles, en raison de l’absence de capacités de détection dépourvues de photons qui peuvent endommager l’échantillon lors des interactions.

Dans un nouveau rapport publié en npj Informations quantiques, Yiquan Yang et une équipe de recherche en physique et microstructures à l’état solide en Chine ont proposé et réalisé expérimentalement un protocole d’imagerie quantique qui atténuait les trois exigences. Ils y sont parvenus en incorporant un photon unique Interféromètre de Michelson dans une interféromètre non linéaire en exploitant des méthodes d’imagerie à pixel unique. Les travaux ont montré une imagerie quantique à pixel unique sans interaction d’un objet structuré avec des photons non détectés.

La recherche repousse les limites de l’imagerie quantique à un point où aucune interaction n’était nécessaire entre l’objet et les photons pour ouvrir une nouvelle voie pour caractériser des échantillons délicats avec une imagerie à pixel unique aux longueurs d’onde de détection du silicium.

Le nouveau protocole d’imagerie quantique

Au cours des dernières décennies, les physiciens quantiques ont développé plusieurs protocoles d’imagerie basés sur la technologie quantique qui ont élargi les applications de l’imagerie optique. Les exemples comprennent imagerie fantôme, imagerie quantique avec des photons non détectés et mesures sans interaction. Par exemple, lors de l’imagerie fantôme quantique, les chercheurs doivent corréler des paires de photons intriqués pour des mesures coïncidentes à deux photons. Ceci peut être réalisé avec des corrélations classiques intensité-fluctuation.

Contrairement à la photographie numérique moderne, l’imagerie à un seul pixel utilise une séquence de masques pour interroger la scène parallèlement aux mesures d’intensité corrélées d’un détecteur à un seul pixel. Dans ce travail, Yang et ses collègues ont cherché à développer et à démontrer un protocole d’imagerie quantique, qui atténuait les besoins de l’imagerie typique.

Ils y sont parvenus en combinant des mesures sans interaction (IFM), imagerie à pixel unique (SPI) et un interféromètre à cohérence induite. Ces premiers résultats de recherche mettent en évidence les capacités d’imagerie quantique où le photon éclairant et le photon détecté n’interagissent pas avec l’objet. En conséquence, ce nouveau protocole d’imagerie peut caractériser des systèmes fragiles ou sensibles aux photons, y compris les tissus biologiques et les états quantiques d’ensembles atomiques. Les scientifiques ont utilisé des détecteurs de photons uniques économiques, à faible bruit et à haut rendement pour une imagerie à grande longueur d’onde et sans interaction.

La méthode expérimentale

Yang et ses collègues ont développé une configuration expérimentale contenant trois parties principales, qui comprenaient l’interféromètre à cohérence induite, l’interféromètre de mesure sans interaction et le module d’imagerie à pixel unique. Ils ont utilisé un niobate de lithium cristal comme cristal non linéaire et comprenait une variété de miroirs dichroïques pour séparer et combiner les photons non dégénérés en fréquence. L’ensemble du dispositif expérimental a permis la formation de l’interféromètre quantique facilitée par la cohérence induite. Au cours de l’expérience, l’équipe a généré un photon inactif à partir du processus de conversion vers le bas paramétrique spontané vers l’avant reflété par le miroir dichroïque et injecté dans le module de mesure sans interaction réalisé par un interféromètre de Michelson.

Puisqu’un seul photon est indivisible en raison de sa propriété de particules et ne peut pas se diviser sur un séparateur de faisceau, il est peu probable que les photons libres qui sont retournés à l’interféromètre à cohérence induite se soient propagés à travers un module de mesure sans interaction et donc peu susceptibles d’avoir interagi avec l’objet. Les scientifiques ont réalisé une imagerie à un seul pixel avec le photon de signal dans le module d’imagerie à un seul pixel en reconstruisant l’image à plusieurs pixels en interrogeant cette image avec des masques spatialement résolus pour enregistrer et corréler simultanément l’intensité avec un détecteur à un seul pixel. L’équipe a mathématiquement décrit l’image comme I = PT, où j’ai représenté l’image pixélisée, tandis que P était un ensemble de masques et T une collection de nombres de photons corrélés de l’ensemble de masques correspondant.

Détection quantique

Au cours de la première étape de l’expérience, l’équipe a réalisé une détection quantique sans interaction avec des photons non détectés en insérant un objet opaque dans le module de mesure sans interaction. La visibilité du module était élevée en l’absence de l’objet ; cette imperfection a permis au photon fou de revenir à l’interféromètre à cohérence induite avec une faible probabilité. Idéalement, la visibilité des interférences de signal devait être nulle. En pratique, les chercheurs ont utilisé les comptes ajustés maximaux de l’interférence de cohérence induite pour indiquer la détection réussie de l’objet avec des mesures sans interaction et ont obtenu les comptes moyens pour indiquer l’absence de l’objet. Les comptages uniques du photon signal ont ainsi fourni une méthode pour décider si l’objet était présent ou non dans le module de mesure sans interaction sans interagir avec lui.

Imagerie quantique

L’équipe a ensuite réalisé une imagerie sans interaction avec des photons non détectés. Pour ce faire, ils ont utilisé une caméra CCD intensifiée pour imager un objet partiellement structuré sous la forme d’un logo imprimé en 3D de l’Université de Nanjing. Dans ce cas, les régions du logo avec des caractères étaient transparentes, tandis que les régions complémentaires étaient opaques. Le caractère et les régions restantes correspondaient à l’absence/présence de l’objet et à différentes visibilités d’interférence. Les scientifiques ont utilisé les méthodes présentées ici pour effectuer une imagerie sans interaction avec des photons non détectés sur une caméra CCD pour finalement obtenir une image reconstruite du logo NJU imprimé en 3D.

Perspectives

De cette façon, Yiquan Yang et ses collègues ont démontré une imagerie quantique à pixel unique sans interaction avec des photons non détectés d’une manière fondamentalement différente de l’imagerie numérique typique. Les scientifiques ont exploité la dualité onde-particule de photons uniques pour réaliser une imagerie sans interaction avec des photons sondes. Au cours des expériences, sur la base de la cohérence induite, les informations d’image portées par les photons libres n’interagissaient pas avec l’objet et étaient transférées aux photons signal. L’équipe a reconstruit l’image d’un objet d’intérêt via une séquence de comptages de photons signal qui ont été détectés par un détecteur à photon unique visible sans résolution spatiale. Le photon éclairant et le photon sonde n’ont pas interagi physiquement avec l’objet, poussant ainsi les capacités de l’imagerie quantique au-delà des processus d’imagerie typiques.

Cette méthode profitera aux scientifiques de la vie et aux physiciens pour sonder et imager échantillon biologique sensible et nanomatériaux. L’équipe prévoit que ce résultat stimulera des intérêts de recherche plus larges à travers domaines pluridisciplinaires.

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