Un nouveau capteur quantique brise les limites de la mesure optique grâce à l'intrication

L'Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences (KRISS) a développé une nouvelle technologie de capteur quantique qui permet de mesurer les perturbations dans la région infrarouge avec la lumière visible en exploitant le phénomène d'intrication quantique. Cela permettra une mesure optique IR hautes performances et à faible coût, ce qui était auparavant limité dans la fourniture de résultats de qualité.

L'ouvrage est publié dans la revue Science et technologie quantiques.

Lorsqu’une paire de photons, la plus petite unité de particules lumineuses, sont liés par intrication quantique, ils partagent un état quantique associé quelle que soit leur distance respective. Le capteur quantique de photons non détecté récemment développé est un capteur à distance qui utilise deux sources de lumière qui recréent un tel intrication quantique.

Un photon non détecté (oisif) fait référence à un photon qui se déplace vers la cible de mesure et rebondit. Au lieu de mesurer directement ce photon, le capteur de photons non détecté mesure l’autre photon de la paire liée par intrication quantique pour obtenir des informations sur la cible.

La détection quantique basée sur des photons non détectés est une technologie naissante qui n’a été réalisée qu’au cours de la dernière décennie. Alors que la technologie en est encore à ses débuts, la communauté mondiale de la recherche continue de s’engager activement dans la course au développement. Le capteur quantique de photons non détecté développé par KRISS se différencie des études précédentes par ses principaux dispositifs photométriques, le photodétecteur et l'interféromètre.

Un photodétecteur est un appareil qui convertit la lumière en un signal électrique. Les photodétecteurs hautes performances existants étaient largement limités dans leurs applications aux bandes passantes de la lumière visible. Bien que les longueurs d’onde dans la région infrarouge soient utiles pour les mesures dans diverses applications dans de nombreux domaines, soit aucun détecteur n’était disponible, soit seulement des détecteurs peu performants.

Ces dernières recherches du KRISS ont permis l'utilisation de détecteurs de lumière visible pour mesurer les états de la lumière dans la bande infrarouge, permettant ainsi une mesure efficace sans nécessiter d'équipement coûteux et consommateur d'énergie. Il peut être utilisé dans un large éventail d’applications, notamment la mesure non destructive de structures tridimensionnelles, la biométrie et l’analyse des compositions gazeuses.

Un autre élément essentiel de la mesure optique de précision est l'interféromètre, un dispositif qui obtient des signaux en intégrant plusieurs rayons de lumière qui empruntent des chemins séparés. Les capteurs quantiques de photons non détectés conventionnels utilisent principalement de simples interféromètres de Michelson qui adoptent des trajets lumineux simples, limitant ainsi le nombre de cibles pouvant être mesurées.

Le capteur développé par KRISS met en œuvre un interféromètre hybride capable de modifier de manière flexible les trajets lumineux en fonction de l'objet cible, améliorant ainsi considérablement l'évolutivité. Ainsi, le capteur peut s'adapter à diverses exigences environnementales car il peut être modifié en fonction de la taille ou de la forme de l'objet mesuré.

Le groupe d'optique quantique du KRISS a présenté une analyse théorique des facteurs qui déterminent les indicateurs de performance clés des capteurs quantiques et a démontré empiriquement leur efficacité en utilisant un interféromètre hybride.

L’équipe de recherche a réfléchi la lumière dans la bande infrarouge sur un échantillon tridimensionnel à mesurer et a mesuré les photons intriqués dans la bande passante visible pour obtenir l’image de l’échantillon, y compris sa profondeur et sa largeur. L’équipe a réussi à reconstruire une image infrarouge tridimensionnelle à partir de mesures effectuées dans le domaine visible.

Park Hee Su, responsable du groupe d'optique quantique chez KRISS, a déclaré : « Il s'agit d'un exemple révolutionnaire qui a surmonté les limites de la détection optique conventionnelle en exploitant les principes de l'optique quantique. » Il a ajouté que KRISS “poursuivra ses recherches pour l'application pratique de la technologie en réduisant le temps de mesure et en augmentant la résolution du capteur”.