Le futur, c’est aujourd’hui? Une équipe de recherche met au point une nouvelle technique de photonique quantique pour créer de meilleurs hologrammes

Une nouvelle technique permettant d’enregistrer et de reconstituer de faibles faisceaux lumineux contenant une particule de lumière unique ouvre la porte à l’imagerie holographique d’objets éloignés.

Une équipe de recherche formée de membres de l’Université d’Ottawa, du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et de l’Imperial College London a mis au point une nouvelle technique inspirée de la physique quantique pour créer des hologrammes, c’est-à-dire la représentation d’images tridimensionnelles au moyen de lasers – comme dans Star Trek et Star Wars.

Sous la direction de Benjamin Sussman, professeur auxiliaire de physique à la Faculté des sciences, l’équipe a travaillé au Centre conjoint de photonique extrême CNRC-uOttawa pour concevoir en collaboration cette technique novatrice, qui consiste à enregistrer et à recréer des faisceaux de lumière extrêmement faibles constitués d’une unique particule, qu’on appelle photon.

Les résultats de ces travaux pourraient révolutionner la représentation de scènes en 3D et servir à une foule d’autres applications dans divers domaines.

La reconstitution exacte de scènes en trois dimensions est un défi de longue date dans le domaine de l’imagerie. Les véhicules autonomes et la réalité augmentée, entre autres, dépendent des percées en la matière.

« Cette nouvelle technique holographique fondée sur la physique quantique présente deux avantages considérables par rapport aux méthodes traditionnelles, souligne le professeur Sussman, qui dirige l’équipe de recherche. En premier lieu, elle est remarquablement résistante aux vibrations et autres facteurs d’instabilité mécanique durant l’enregistrement. Contrairement à la méthode habituelle, qui nécessite des temps d’exposition courts en raison de la sensibilité aux vibrations, cette nouvelle technique permet d’enregistrer des hologrammes sur des durées plus longues, ce qui augmente leur précision. En deuxième lieu, notre technique peut enregistrer des hologrammes d’objets luminescents ou éloignés. »

Cette découverte ouvre de nombreuses avenues, notamment pour l’imagerie en 3D d’objets lointains et la caractérisation de la forme spatiale de l’émission de photons uniques à partir de points quantiques et d’atomes individuels.

« L’équipe de recherche a pu réaliser cette percée grâce aux progrès de l’imagerie quantique et à la disponibilité sur le marché de caméras de pointe, note le professeur Sussman. Avec les données de position et d’horodatage précises fournies par ces caméras lorsqu’elles détectent une particule de lumière unique, nous avons pu résoudre les corrélations nécessaires pour l’enregistrement d’hologrammes. Cette découverte témoigne de la synergie entre la recherche quantique et le développement de technologies. »

La photographie traditionnelle capte essentiellement l’intensité de la scène, tandis que l’holographie va un peu plus loin : elle intègre l’information sur la phase, soit le décalage relatif de la captation de la lumière dans les différentes parties de la scène.

L’interférence d’amplitude, un phénomène par lequel l’amplitude (ou l’énergie) de deux ondes peut s’additionner de façon constructive ou destructive, joue un rôle essentiel dans l’holographie. Or, la nouvelle technique utilise un autre type d’interférence. « Nos hologrammes enregistrent les corrélations entre les intensités de deux sources lumineuses », explique Guillaume Thekkadath, auteur principal de l’article et ancien étudiant à la maîtrise en sciences de l’Université d’Ottawa. « Ces corrélations peuvent révéler des effets d’interférence quantique, même dans des photons uniques. »

Cette étude a des retombées de grande portée, allant de l’amélioration des technologies holographiques à de nouvelles applications, notamment en astronomie, en nanotechnologie et en informatique quantique. L’holographie a indéniablement un brillant avenir devant elle.

Intitulée Intensity interferometry for holography with quantum and classical light, l’étude a été publiée dans la revue Science Advances le 5 juillet 2023.