Une métasurface ultra-mince transforme l’imagerie quantique avec des photons intriqués

Les limites des systèmes d’imagerie quantique traditionnels ont longtemps freiné leur adoption dans des applications réelles. Ces dispositifs, souvent encombrants et peu flexibles, peinent à répondre aux exigences de miniaturisation et de performance requises par les technologies modernes. Une équipe internationale a désormais proposé une solution innovante qui pourrait redéfinir la manière dont les photons intriqués sont générés et exploités pour l’imagerie.

Une nouvelle approche combinant imagerie fantôme et balayage optique

Des scientifiques issus du Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformatifs (TMOS), affiliés à l’Université nationale australienne (ANU) et à l’Université de Melbourne (UoM), ont développé un protocole inédit d’imagerie quantique. Cette méthode repose sur l’utilisation de paires de photons spatialement intriqués, produits à l’aide d’une métasurface non linéaire ultra-mince. L’approche fusionne deux techniques : l’imagerie fantôme et le balayage entièrement optique, permettant ainsi la reconstruction d’images avec une résolution exceptionnelle.

Contrairement aux méthodes conventionnelles, où des cristaux non linéaires volumineux se révèlent être un obstacle majeur, cette technologie exploite une structure nanométrique constituée d’un réseau métagrattage en silice intégré à une fine couche de niobate de lithium. La génération efficace de paires de photons intriqués s’effectue alors dans un format compact et hautement adaptable. Selon Jinliang Ren, doctorant au TMOS et co-auteur principal de l’étude, « une innovation clé réside dans la capacité à manipuler les angles d’émission des photons optiquement, simplement en ajustant la longueur d’onde du faisceau de pompe ». Cette propriété unique élimine tout besoin de balayage mécanique, simplifiant considérablement le processus.

Réduction des contraintes matérielles et amélioration des performances

L’approche mise en œuvre utilise un détecteur unidimensionnel simple dans le chemin de l’idler et un détecteur «bucket» dans le chemin du signal, réduisant drastiquement les exigences matérielles par rapport aux systèmes classiques. Les chercheurs ont validé expérimentalement leur méthode en reconstruisant des images d’objets bidimensionnels à des longueurs d’onde infrarouges. Le nombre de cellules de résolution atteint par leur système basé sur une métasurface dépasse celui des configurations traditionnelles de plus de quatre ordres de grandeur.

Cette performance remarquable découle de l’absence de contraintes de phase longitudinales, qui limitent habituellement le champ de vision dans les cristaux volumineux. Dr. Jinyong Ma, chercheur principal de l’étude, a souligné que « ce travail démontre le premier potentiel pratique des systèmes d’imagerie quantique basés sur des métasurfaces pour des applications réelles ». Leur conception compacte et leur adaptabilité en font des candidats idéaux pour des applications en espace libre, notamment dans les domaines des communications quantiques, du suivi d’objets et des systèmes de détection.

Vers une optimisation accrue des métasurfaces

Les chercheurs explorent actuellement des moyens d’améliorer encore davantage l’efficacité de génération des paires de photons dans les métasurfaces. Dr. Jihua Zhang, ancien chercheur postdoctoral au TMOS et aujourd’hui affilié au Laboratoire des matériaux du lac Songshan, a expliqué : « Nous étudions de nouveaux matériaux présentant des coefficients non linéaires plus élevés et optimisons la conception des métasurfaces pour des résonances triples aux longueurs d’onde de pompe, de signal et d’idler. » L’avancée entreprise pourrait ainsi permettre d’atteindre des taux de génération de paires de photons comparables ou supérieurs à ceux des systèmes volumineux classiques.

La combinaison de la paramétrabilité optique, de l’intégration à l’échelle nanométrique et de l’imagerie haute résolution offre une plateforme polyvalente pour diverses applications quantiques. Professeur Andrey Sukhorukov, chef de l’équipe de recherche, a ajouté : « Les implications de ce travail dépassent largement le cadre de l’imagerie seule. Des technologies quantiques reposant sur des paires de photons intriqués, telles que les réseaux de communication sécurisés ou les systèmes LiDAR quantiques, pourraient bénéficier de ces sources compactes et hautement efficaces. »

Un tournant pour les technologies méta-optiques

En remplaçant les composants optiques volumineux et rigides par des structures ultra-minces et évolutives, l’équipe du TMOS a jeté les bases d’une nouvelle génération de dispositifs d’imagerie et de détection quantiques. Ces dispositifs se démarquent par leur compacité, leur efficacité et leur adaptabilité sans précédent. Leur adoption pourrait accélérer le développement de technologies quantiques dans des secteurs variés, allant des communications sécurisées à la détection avancée d’objets en mouvement.

Légende illustration : Concept de nouvelle imagerie quantique avec des métasurfaces non linéaires ultrafines. Credit: eLight

Article : « Quantum imaging using spatially entangled photon pairs from a nonlinear metasurface » – DOI : 10.1186/s43593-024-00080-8