comment nous avons trouvé une nouvelle façon de créer un hologramme


Quantum Leap: Comment nous avons trouvé une nouvelle façon de créer un hologramme

Crédit photo: Inna Bigun / Shutterstock

Les hologrammes n’étaient autrefois qu’ curiosité scientifique. Cependant, grâce au développement rapide des lasers, ils ont progressivement pris 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 – les plus mémorables dans Star Wars – et même en tant que rappeur en direct sur scène, Tupac était en 2012 Le festival de musique de Coachella renaît pour les fans.

L’holographie est le processus photographique dans lequel la lumière diffusée par un objet est enregistrée et représentée en trois dimensions. La découverte a été inventée par le physicien hongrois-britannique Dennis Gabor au début des années 1950 et lui a valu le prix Nobel de en 1971.

Avec les billets de banque, les passeports et les rappeurs controversés, l’holographie est devenue un outil indispensable 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 créent 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 déterminer la présence de parasites du paludisme et d’identifier le sperme pour les processus de FIV.

Nous avons maintenant découvert un nouveau type d’holographie quantique pour surmonter les limites des approches holographiques traditionnelles. Cette découverte révolutionnaire pourrait conduire à une meilleure imagerie médicale et accélérer l’avancement de la science de l’information quantique. Il s’agit d’un domaine scientifique qui couvre toutes les technologies basées sur la physique quantique, y compris la commutation quantique et la communication quantique.






Comment fonctionnent les hologrammes

L’holographie classique crée des représentations bidimensionnelles d’objets tridimensionnels avec un faisceau de lumière laser divisé en deux chemins. Le trajet d’un faisceau appelé faisceau objet illumine le sujet de l’holographie, avec la lumière réfléchie collectée par une caméra ou un film holographique spécial. Le trajet du second faisceau, appelé faisceau de référence, est réfléchi par un miroir directement sur la surface de collecte sans toucher l’objet.

L’hologramme est créé en mesurant les différences de phase de lumière dans laquelle les deux rayons se rencontrent. La phase est la quantité par laquelle les ondes du sujet et les rayons de l’objet se mélangent et interfèrent les unes avec les autres. Semblable aux vagues à la surface d’une piscine, le phénomène d’interférence crée un motif de vagues complexe dans l’espace qui contient à la fois des régions où les ondes s’annulent (vallées) et d’autres où elles s’additionnent (crêtes).

Les interférences exigent généralement que la lumière soit « cohérente » et ait la même fréquence partout. Par exemple, la lumière émise par un laser est cohérente et donc ce type de lumière est utilisé dans la plupart des systèmes holographiques.






Holographie avec enchevêtrement

Par conséquent, la cohérence optique est essentielle à tout processus holographique. Cependant, notre nouvelle étude contourne le besoin de cohérence en holographie en tirant parti de ce que l’on appelle «l’intrication quantique» entre des particules de lumière appelées photons.

L’holographie conventionnelle est essentiellement basée sur la cohérence optique, puisque d’une part, la lumière doit interférer pour générer des hologrammes et, d’autre part, la lumière doit être cohérente pour interférer. La deuxième partie n’est cependant pas tout à fait correcte, car il existe certains types de lumière qui peuvent être à la fois incohérents et créer des interférences. C’est le cas de la lumière photonique intriquée 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 enchevêtrées, elles sont étroitement liées et agissent effectivement comme un seul objet, bien qu’elles puissent être séparées dans l’espace. En conséquence, toute mesure effectuée sur une particule intriquée affecte l’ensemble du système intriqué.

Dans notre étude, les deux photons de chaque paire sont séparés et envoyés dans deux directions différentes. Un photon est dirigé sur un objet, qui peut par exemple être une lame avec un échantillon biologique. Lorsqu’il heurte l’objet, le photon dévie légèrement ou ralentit un peu en fonction de l’épaisseur de l’échantillon qu’il a traversé. En tant qu’objet quantique, cependant, un photon a la propriété surprenante de se comporter non seulement comme une particule, mais aussi comme une en même temps.

Quantum Leap: Comment nous avons trouvé une nouvelle façon de créer un hologramme

Comment un hologramme avec des photons intriqués est créé. Crédit photo: Université de Glasgow, auteur indiqué

Une telle propriété de dualité onde-particule lui permet d’examiner non seulement l’épaisseur de l’objet au point exact où il le frappe (comme le ferait une particule plus grosse), mais son épaisseur sur toute sa longueur à la fois mesure. L’épaisseur de l’échantillon – et donc sa structure tridimensionnelle – est « imprimée » sur le photon.

Puisque les photons sont intriqués, la projection imprimée sur un photon est partagée par les deux en même temps. Le phénomène d’interférence se produit alors à distance, sans qu’il soit nécessaire de chevaucher les faisceaux, et enfin un hologramme est obtenu en capturant les deux photons avec des caméras séparées et en mesurant les corrélations entre eux.

L’ 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 les uns des autres par n’importe quelle distance – un aspect connu sous le nom de « non-localité » – et rendu possible par la présence de intrication quantique entre les photons.

Ainsi, l’objet que nous mesurons et les mesures finales pourraient être prises aux extrémités opposées de la planète. En plus 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 stabilité au bruit. En effet, l’intrication quantique est une propriété intrinsèquement difficile d’accès et de contrôle et qui présente donc l’avantage d’être moins sensible aux anomalies externes.

En raison de ces avantages, nous pouvons produire des images biologiques de bien meilleure qualité que les techniques de microscopie actuelles. Bientôt, cette approche holographique quantique pourrait être utilisée pour déchiffrer des structures et des mécanismes biologiques dans des cellules qui n’avaient jamais été observés auparavant.


Le «saut quantique» de l’holographie pourrait révolutionner l’imagerie


Plus d’information:
Hugo Defienne et coll. Holographie quantique capable d’enchevêtrement de polarisation, Physique naturelle (2021). DOI: 10.1038 / s41567-020-01156-1

Fourni par The Conversation

Cet article est republié par The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.La conversation

Citation: Quantum Leap: How We Discovered a New Way to Create a Hologram (2021, 18 février), consulté le 22 février 2021 sur https://phys.org/news/2021-02-quantum-hologram.html

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