La mécanique quantique permet un nouveau type d'imagerie.

Le but des dispositifs d'imagerie quantique est d'exploiter les propriétés des états quantiques pour reconstruire une image. Contrairement à l'imagerie classique, la contrepartie quantique nécessite des moyens pour (i) générer, (ii) manipuler et (iii) mesurer des états quantiques individuels.

Dans la recherche de pointe, l'illumination de choix est un double faisceau de paires de photons. Celui-ci peut désormais être produit de manière ubiquitaire par un processus appelé conversion paramétrique descendante spontanée (SPDC).

Conservation de l'impulsion

Dans ce processus, un faisceau de pompe lumineux est projeté sur un cristal non linéaire où, avec une probabilité donnée, un photon de pompe est converti en une paire de photons. L'aspect clé de cette conversion est qu'elle conserve la quantité de mouvement ; la somme des quantités de mouvement des photons convertis est égale à celle du photon de pompe.

Longitudinalement, cette conservation implique une conversion de longueur d'onde, par exemple, un photon à 405 nm est converti en une paire de photons à 810 nm. Transversalement, la conservation de la quantité de mouvement conduit à des corrélations spatiales entre les photons convertis, comme le montre la figure d'ouverture.

Mesure de coïncidence

Lorsqu'un photon converti d'une paire est mesuré à la position A, le photon jumeau de la même paire sera localisé à la position A' - de même pour la paire de positions B et B'. Cette mesure conjointe de deux photons est appelée mesure de coïncidence et constitue une étape fondamentale dans l'exploitation des corrélations spatiales dans les paires de photons.

Dans l'imagerie quantique fondée sur les coïncidences, il est nécessaire d'obtenir la distribution spatiale de ces événements de coïncidence. Ceci est maintenant permis par les caméras à photons uniques.

Sensibilité à un seul photon

La mise au point de dispositifs d'imagerie capables de détecter un seul photon est l'un des principaux moteurs de l'imagerie quantique. Les caméras à dispositif à couplage de charge à multiplication d'électrons (EMCCD) et à dispositif à couplage de charge intensifié (ICCD) sont des outils courants dans les laboratoires de pointe axés sur l'imagerie quantique, en raison de leur rendement quantique élevé, de leurs faibles niveaux de bruit et de leurs capacités de gating (acquisition déclenchée par un signal externe).

Plus récemment, les caméras à diode à avalanche à photon unique (SPAD) ont montré un grand potentiel pour permettre un temps d'acquisition plus rapide. En effet, les caméras SPAD ont des rendements bien inférieurs à ceux d'une caméra EMCCD, par exemple.

Acquisition plus rapide

Cependant, les caméras SPAD peuvent réaliser des acquisitions beaucoup plus rapides, avec des fréquences d'images de l'ordre de 105 images par seconde, soit mille fois plus rapides que les caméras EMCCD. Cette caractéristique est particulièrement importante si l'on considère la méthode employée pour reconstruire les corrélations spatiales dans les paires à deux photons.

En pratique, la mesure des événements de coïncidence sur plusieurs positions spatiales n'est pas une tâche triviale. Defienne et al. ont mis au point un élégant modèle mathématique pour reconstruire la distribution spatiale à deux photons 𝛤(𝑟𝑖, 𝑟𝑗) à partir de N images d'intensité enregistrées ; pour deux photons de la même paire, la probabilité de mesurer un photon au pixel 𝑟𝑖 et l'autre au pixel 𝑟𝑗 sur le capteur de la caméra, peut être reconstruite comme suit :

L'attrait des appareils photo SPAD

Dans le modèle ci-dessus, 𝐼𝑙(𝑟𝑖) est l'intensité mesurée dans l'image 𝑙 au pixel 𝑟𝑖. Il est intéressant de noter que ce modèle devient d'autant plus précis que le nombre d'images d'intensité enregistrées N est important, d'où l'intérêt des caméras SPAD.

La figure 1(a) montre l'intensité d'un double faisceau colinéaire produit par SPDC et enregistré par une caméra SPAD avec une fréquence d'images nominale de 96 000 images par seconde. En utilisant un total de 100 millions d'images, on peut reconstruire les distributions conditionnelles des paires de deux photons.

Figure 1 : (a) montre l'intensité du double-faisceau SPDC. À partir de la distribution spatiale à deux photons, reconstruite à l'aide de 100 millions d'images, on peut extraire la distribution spatiale conditionnelle d'un photon, étant donné que son partenaire a été mesuré en (b) A ou (c) B. Crédit : Dr Bienvenu Ndagano

Supposons par exemple qu'un photon soit mesuré au pixel A ou B, les distributions spatiales du photon partenaire de la même paire sont présentées sur les figures 1(b) et 1(c), respectivement. Observez que chacune de ces distributions présente un pic à un pixel diamétralement opposé autour du centre du faisceau SPDC ; ceci est une conséquence de la conservation de la quantité de mouvement. En utilisant cette approche, on peut reconstruire l'image de coïncidence d'un objet placé dans la trajectoire de l'un (ou des deux) faisceaux jumeaux.

Bienvenu Ndagano, chercheur, Fraunhofer Centre for Applied Photonics, Royaume-Uni

Cet article a d'abord été publié par la Lettre d'information de la physique africaine - © American Physical Society, 2021. Traduit en français par Afriscitech.