Percée technologique en imagerie quantique : génération et application de paires de photons basées sur des métasurfaces non linéaires

Contexte de recherche et problématique

Ces dernières années, la technologie d’imagerie quantique a attiré beaucoup d’attention en raison de ses avantages potentiels dans les flux de photons à faible intensité, la résolution au-delà de la limite de diffraction classique et la haute sécurité. Cependant, les systèmes d’imagerie quantique traditionnels reposent sur des cristaux non linéaires massifs (comme le BBO ou le PPKTP), dont l’épaisseur est généralement de l’ordre du millimètre. Cela limite leur plage d’angles d’émission sous les conditions de correspondance de moment transversal, restreignant ainsi le champ de vision (Field of View, FOV) et la résolution. De plus, la réglabilité des cristaux traditionnels est limitée, ce qui rend difficile la réalisation d’opérations multi-longueurs d’onde ou un balayage optique rapide.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs se sont tournés vers les métasurfaces. Une métasurface est un dispositif optique plat d’épaisseur sous-longueur d’onde, capable d’améliorer et de personnaliser les processus optiques non linéaires grâce à la conception de nanostructures. Des recherches antérieures ont déjà prouvé que les métasurfaces non linéaires peuvent améliorer considérablement l’efficacité de génération de paires de photons intriqués et permettre un contrôle précis de l’intrication spatiale, de polarisation et spectrale. Cependant, le potentiel d’application pratique de ces technologies n’a pas encore été pleinement exploré.

L’équipe de recherche de cet article vise à révéler les avantages uniques des métasurfaces non linéaires dans l’imagerie quantique et à développer un nouveau protocole combinant « l’imagerie fantôme » (ghost imaging) et l’imagerie par balayage optique total. Cette recherche non seulement élargit la portée des applications en imagerie quantique, mais démontre également le grand potentiel des métasurfaces dans les technologies quantiques.

Source de l’article et informations sur les auteurs

Cet article a été co-rédigé par Jinyong Ma, Jinliang Ren, Jihua Zhang, et al., avec Andrey A. Sukhorukov comme auteur correspondant. L’équipe de recherche provient de l’Université nationale australienne (Australian National University, ANU), de l’Université de Melbourne (University of Melbourne) et du Laboratoire des matériaux de Songshan Lake (Songshan Lake Materials Laboratory) en Chine. L’article a été publié en 2025 dans la revue eLight (journal officiel CIOMP, DOI: 10.1186/s43593-024-00080-8).

Contenu et méthodologie de la recherche

a) Processus de recherche et conception expérimentale

1. Conception et fabrication de la métasurface

L’équipe de recherche a conçu une métasurface non linéaire basée sur un film de niobate de lithium (lithium niobate, LN), recouvert d’une grille de silice (silica). L’épaisseur de la métasurface est de seulement 300 nanomètres, bien inférieure à celle des cristaux non linéaires traditionnels. Cette conception prend en charge deux modes de résonance optique non locaux : l’un présente des caractéristiques de dispersion presque plates le long de la direction de la grille (direction z), tandis que l’autre montre une dispersion quadratique dans la direction perpendiculaire à la grille (direction y).

Dans le processus de fabrication, l’équipe a utilisé la lithographie par faisceau d’électrons (electron beam lithography) et la gravure par plasma à couplage inductif (inductively coupled plasma etching) pour fabriquer des structures de grille périodiques sur le film de niobate de lithium. La métasurface finale mesure 400 micromètres × 400 micromètres.

2. Génération et caractérisation des paires de photons

Dans l’expérience, l’équipe a pompé la métasurface avec un laser accordable en longueur d’onde (779–791 nanomètres) pour générer des paires de photons intriqués en signal et en fréquence libre. En ajustant la longueur d’onde de pompe, il est possible de balayer l’angle d’émission des photons dans la direction y. En même temps, l’angle d’émission des photons dans la direction z est large et anti-corrélé, ce qui convient à l’imagerie fantôme.

Pour vérifier les propriétés d’intrication des photons, l’équipe a mesuré les comptages de coïncidences biphotoniques (coincidence counting) et la fonction de corrélation du second ordre ( g^{(2)}(\tau) ). Les résultats montrent que la valeur de ( g^{(2)}(0) ) atteint 7000, bien au-dessus de la limite classique (2), indiquant une forte intrication des photons.

3. Expérience d’imagerie quantique

L’équipe a conçu un dispositif expérimental combinant l’imagerie fantôme et l’imagerie par balayage optique total. Les photons de signal passent à travers l’objet cible avant d’être collectés par un détecteur à pixel unique (bucket detector), tandis que les photons de fréquence libre sont capturés par un réseau de détecteurs unidimensionnel. En enregistrant les comptages de coïncidences à différentes longueurs d’onde de pompe, l’équipe a réussi à reconstruire les images des objets bidimensionnels.

L’expérience est divisée en deux parties : - Imagerie par balayage optique total : dans la direction y, l’angle d’émission des photons est balayé en ajustant la longueur d’onde de pompe, réalisant une imagerie ligne par ligne de l’objet. - Imagerie fantôme : dans la direction z, la propriété anti-corrélée des paires de photons est exploitée pour reconstruire l’image de l’objet à l’aide d’un réseau de détecteurs unidimensionnel.

4. Simulation numérique et évaluation des performances

Pour valider davantage le potentiel de cette méthode, l’équipe a effectué des simulations numériques. Les résultats montrent qu’en augmentant l’ouverture de la métasurface à 10 millimètres, le champ de vision peut atteindre 1,4 radian/micromètre (direction y) et 1 radian/micromètre (direction z), avec des distances minimales de résolution respectives de 1 milliradian/micromètre et 0,1 milliradian/micromètre. Comparé aux cristaux traditionnels, cette méthode améliore le nombre d’unités de résolution de quatre ordres de grandeur.

b) Résultats principaux

1. Efficacité de génération de paires de photons et propriétés d’intrication

Les données expérimentales montrent que l’efficacité de génération de paires de photons de la métasurface est de 75 MHz/mW, soit 65 fois supérieure à celle d’un film de niobate de lithium non structuré. Cela est attribué à l’effet de résonance renforcée et à la conception optimisée de la métasurface.

2. Résolution et champ de vision

Les images bidimensionnelles reconstruites dans l’expérience sont hautement cohérentes avec les images prises par une caméra optique, avec un taux de réussite de reconstruction d’image de 100 %. Les simulations numériques montrent en outre que cette méthode présente des avantages significatifs en termes de champ de vision étendu et de haute résolution. Par exemple, lorsque l’ouverture de la métasurface atteint 10 millimètres, la résolution d’imagerie s’approche de la limite de diffraction, et la plage de champ de vision est considérablement élargie.

3. Imagerie multi-longueurs d’onde et balayage de faisceau

L’équipe a également exploré les méthodes de génération de paires de photons non dégénérées, y compris la conception de métasurfaces inclinées et de grilles quasi-périodiques. Ces approches offrent de nouvelles possibilités pour l’imagerie quantique multi-longueurs d’onde et le balayage rapide de faisceau.

c) Conclusion et signification

Cette étude montre que la technologie d’imagerie quantique basée sur des métasurfaces non linéaires est supérieure aux méthodes traditionnelles en termes de champ de vision, de résolution et de compacité des dispositifs. Plus précisément : - Valeur scientifique : Révèle les avantages uniques des métasurfaces non linéaires dans l’imagerie quantique, fournissant de nouveaux outils pour l’optique quantique et les sciences de l’information quantique. - Valeur applicative : Cette technologie peut être utilisée dans des domaines tels que le radar quantique, les communications quantiques et l’imagerie biomédicale, avec de vastes perspectives d’application.

d) Points forts de la recherche

1. Conception innovante : Première application des métasurfaces non linéaires à l’imagerie quantique, combinant un large champ de vision et une haute résolution.
2. Protocole efficace : Propose une nouvelle méthode combinant l’imagerie fantôme et l’imagerie par balayage optique total, simplifiant le dispositif expérimental.
3. Opération multi-longueurs d’onde : Démontre la possibilité de générer des paires de photons non dégénérées, posant les bases de l’imagerie quantique multi-longueurs d’onde.

e) Autres informations précieuses

L’équipe de recherche note que, à l’avenir, il sera possible d’améliorer encore l’efficacité de génération de paires de photons en utilisant des matériaux à coefficient non linéaire plus élevé (comme les semi-conducteurs III-V ou les matériaux 2D) et en optimisant la conception de triple résonance. De plus, la flexibilité des métasurfaces permet également d’introduire des ingénieries de polarisation, spectrales et spatiales pour enrichir les données d’imagerie.

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Conclusion

Cet article montre le potentiel révolutionnaire des métasurfaces non linéaires dans l’imagerie quantique. En combinant l’imagerie fantôme et l’imagerie par balayage optique total, l’équipe de recherche a réussi à reconstruire des images bidimensionnelles haute résolution avec un large champ de vision. Ce résultat ne fait pas qu’avancer la technologie d’imagerie quantique, mais ouvre également de nouvelles voies pour des applications dans des domaines tels que le radar quantique et les communications quantiques.