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L'holographie ouvre la voie à l'informatique quantique

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Des physiciens de l’EPFL ont développé une méthode reposant sur les principes des hologrammes pour saisir des images 3D d’objets hors d’atteinte de la lumière.

La photographie mesure la quantité de lumière de couleurs différentes qui atteint la pellicule. Cependant, la lumière est aussi une onde, caractérisée par conséquent par une phase. Cette dernière indique la position d’un point dans le cycle d’onde et est corrélée à la profondeur de l’information; en d’autres termes, enregistrer la phase de la lumière diffusée par un objet permet d’obtenir sa forme complète en 3D. Une simple photographie ne peut pas parvenir à ce résultat. Il s’agit de la base de l’holographie optique, rendue célèbre par les hologrammes fantaisistes des films de science-fiction comme Star Wars.

La résolution spatiale de la photographie/de l’hologramme est limitée par la longueur d’onde de la lumière, qui se situe autour de 1 μm (0,001 mm) ou juste en dessous. Ce qui n’est pas un problème pour les objets macroscopiques l’est par contre en nanotechnologie.

Des chercheurs du laboratoire de Fabrizio Carbone à l’EPFL ont développé une méthode pour observer le comportement de la lumière à très petite échelle, bien au-delà des limitations imposées par la longueur d’onde. Ils ont utilisé un média photographique des plus inhabituels: des électrons en propagation libre. Appliquée dans leur microscope électronique ultrarapide, cette méthode peut coder des informations quantiques dans un motif holographique de lumière capturé dans une nanostructure. Elle repose sur un aspect exotique de l’interaction entre les électrons et la lumière.

Les scientifiques ont utilisé la nature quantique de l’interaction entre les électrons et la lumière pour différencier le faisceau d’électrons de référence des faisceaux d’imagerie électronique par l’énergie et non l’espace (phase). Cela permet désormais d’utiliser les impulsions lumineuses pour crypter l’information sur la fonction d’onde de l’électron, laquelle peut être représentée grâce à un microscope électronique en transmission ultrarapide.

Cette nouvelle méthode peut nous procurer deux avantages cruciaux: d’une part, elle peut fournir des informations sur la lumière elle-même, ce qui en fait un outil puissant pour visualiser des champs électromagnétiques avec la précision de l’attoseconde dans le temps et du nanomètre dans l’espace; d’autre part, la méthode peut être appliquée en informatique quantique pour manipuler les propriétés quantiques des électrons libres.

«L’holographie conventionnelle peut extraire des informations 3D en mesurant la différence de distance parcourue par la lumière depuis diverses parties de l’objet, explique Fabrizio Carbone. Cela nécessite toutefois un faisceau de référence supplémentaire d’une direction différente pour mesurer l’interférence entre les deux. Le concept est identique avec des électrons, toutefois nous pouvons désormais obtenir une meilleure résolution spatiale en raison de leur longueur d’onde beaucoup plus courte. Par exemple, nous avons réussi à enregistrer des films holographiques d’objets en déplacement rapide en utilisant les impulsions ultracourtes des électrons.»

Au-delà de l’informatique quantique, la technique dispose d’une résolution spatiale beaucoup plus élevée que d’autres méthodes et pourrait changer notre conception de la lumière au quotidien. «Jusque-là, la science et la technologie se sont limitées à des photons en propagation libre, utilisés dans des dispositifs optiques macroscopiques, poursuit Fabrizio Carbone. Notre nouvelle technique nous permet de visualiser ce qui arrive à la lumière à l’échelle nanométrique. Il s’agit de la première étape pour miniaturiser et intégrer des dispositifs lumineux dans des circuits intégrés.»

Autres contributeurs

  • Université de Glasgow
  • Barcelona Institute of Science and Technology
  • ICREA-Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats
  • EPF Zurich
Financement

NCCR MUST, Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS), Spain MINECO, Conseil européen de la recherche (subvention avancée du CER), Fondation Cellex

Références

I. Madan, G. M. Vanacore, E. Pomarico, G. Berruto, R. J. Lamb, D. McGrouther, T. T. A. Lummen, T. Latychevskaia, F. J. García de Abajo, F. Carbone. Holographic imaging of electromagnetic fields via electron-light quantum interference. Science Advances 03 May 2019, 5:eaav835