Des photons "intriqués" pour améliorer notre vision des choses ?

Le bruit est l'ennemi mortel des systèmes d'information quantiques: le plus infime pourrait empêcher un ordinateur quantique de fonctionner. Seth Lloyd, du Massachusetts Institute of Technology (MIT) propose une façon d'exploiter cette sensibilité au bruit pour produire un nouveau système quantique d'imagerie. Selon lui, ce système pourrait apporter une amélioration exponentielle du rapport signal/bruit aux techniques optiques conventionnelles d'imagerie, bien qu'il admette que sa mise en oeuvre dans la pratique ne sera pas facile.

Les systèmes d'imagerie conventionnels tels que les microscopes fonctionnent par éclairement d'un objet et détection de la lumière réfléchie. C'est un procédé qui reste simple aussi longtemps que le système ne fonctionne pas dans un environnement bruité dans lequel les photons de sources aléatoires se mélangent à la lumière réfléchie.

Un détecteur discriminant

Alors qu'un détecteur conventionnel n'a aucun moyen de distinguer un photon de lumière réfléchie et un photon de bruit, Lloyd pense que le principe quantique d'intrication pourrait être utilisé comme filtre.

Le système de Lloyd implique la production de paires de photons en état d'intrication quantique. L'intrication est une caractéristique de la mécanique quantique qui permet à des particules de partager une relation beaucoup plus intime que ce que la physique classique ne le permet. Une propriété importante de l'intrication est que les photons maintiennent la "mémoire" du fait d'avoir été générés en tant que paire.

Dans le schéma de Lloyd, un photon intriqué (appelé le signal) est dirigé sur l'objet à observer, alors que l'autre (l'auxiliaire) est conservé par le dispositif d'imagerie pour référence future. Si un photon signal est réfléchi par l'objet et revient sur l'appareil, il peut être comparé à l'auxiliaire, qui maintient la mémoire de son associé intriqué. Si l'association est vérifiée, le photon est utilisé pour établir une image de l'objet, mais si l'auxiliaire n'a aucune mémoire du photon, il est rejeté comme étant du bruit.

Selon les calculs de Lloyd, un dispositif d'imagerie utilisant ce principe aurait un rapport signal/bruit 2^e fois meilleur que celui d'un système conventionnel. 2^e est une mesure du degré d'intrication des deux photons.

Un cristal photonique

Le défi, cependant, est cette comparaison entre les photons signal et auxiliaire. En principe, Lloyd pense que ceci pourrait être réalisé en permettant aux deux photons de se recombiner pour créer un photon unique de grande énergie, en les envoyant sur un cristal photonique - un matériau spécial qui contient des régions alternées d'indices de réfraction élevés et bas.

C'est l'inverse de la technique de "down-conversion" qui est généralement utilisée pour intriquer des photons. Selon Lloyd, les deux photons se recombineront d'autant plus facilement en un photon unique de haute énergie, qui peut être détecté, s'ils conservent cette mémoire de leur intrication.

Mais cela exige un système qui puisse envoyer à la fois le signal réfléchi et l'auxiliaire au même endroit en même temps, et Lloyd admet qu'il n'existe pour cela aucun moyen connu. Cependant, il précise qu'il n'y a aucune raison pour que ce ne soit pas possible et que ce devrait être relativement facile à réaliser comparé à d'autres procédés quantiques que les physiciens essayent actuellement de développer.