Une métrologie précise constitue une base fondamentale pour les sciences et technologies avancées, notamment la bioimagerie, le diagnostic des défauts des semi-conducteurs et les observations par télescope spatial. Cependant, les technologies de capteurs utilisées en métrologie se sont jusqu’à présent heurtées à une barrière physique connue sous le nom de limite quantique standard.
Une alternative prometteuse pour dépasser cette limite est le capteur quantique distribué, une technologie qui relie plusieurs capteurs spatialement séparés en un seul système quantique à grande échelle, permettant ainsi des mesures très précises. Jusqu’à présent, les efforts se sont principalement concentrés sur l’amélioration de la précision, même si le potentiel d’extension de cette approche à l’imagerie haute résolution n’a pas encore été pleinement démontré.
L'équipe de recherche du Dr Hyang-Tag Lim au Centre de technologie quantique de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST) a démontré le premier réseau de capteurs quantiques distribués à ultra haute résolution au monde. L'étude est publiée dans la revue Lettres d'examen physique.
En appliquant un état quantique intriqué spécial, connu sous le nom d’état multimode N00N, aux capteurs distribués, l’équipe a obtenu une amélioration simultanée de la précision et de la résolution.
Les travaux antérieurs sur les capteurs quantiques distribués reposaient principalement sur les états intriqués à photons uniques, qui peuvent améliorer la précision, mais se limitaient à des mesures à haute résolution nécessitant une discrimination fine des modèles d'interférence.
L'état multimode N00N utilisé par les chercheurs du KIST implique plusieurs photons enchevêtrés le long de chemins spécifiques, produisant des franges d'interférence beaucoup plus denses. En conséquence, la résolution est considérablement améliorée, tandis que même les plus petits changements physiques peuvent être détectés avec une sensibilité élevée.
La technique s’approche non seulement de la limite de Heisenberg, le niveau ultime de précision pouvant être atteint avec la technologie quantique, mais elle a également démontré un potentiel pour des applications en imagerie super-résolution.
Cette réalisation est particulièrement significative, car elle suggère que la Corée peut assurer sa compétitivité internationale à un moment où les principaux pays avancés, notamment les États-Unis et les pays européens, ont désigné les capteurs quantiques comme une technologie stratégique de nouvelle génération et réalisent des investissements substantiels dans ce domaine.
L’équipe a créé un état N00N multimode à deux photons intriqués dans quatre modes de trajet et l’a utilisé pour mesurer simultanément deux paramètres de phase distincts.
En conséquence, ils ont atteint une précision environ 88 % supérieure (amélioration de 2,74 dB) par rapport aux méthodes conventionnelles, démontrant ainsi des performances approchant la limite de Heisenberg non seulement en théorie mais aussi expérimentalement.
Cette réalisation présente un large potentiel d'applications dans des domaines nécessitant une métrologie de précision, notamment les sciences de la vie, l'industrie des semi-conducteurs, la médecine de précision et l'observation spatiale.
Par exemple, cela pourrait permettre une imagerie de haute clarté de microstructures subcellulaires difficiles à résoudre avec des microscopes conventionnels, la détection de défauts à l'échelle nanométrique dans les circuits semi-conducteurs et l'observation précise de structures astronomiques distantes qui autrement apparaîtraient floues à travers des télescopes ordinaires.
« Cette réalisation marque une étape importante, démontrant le potentiel des réseaux de capteurs quantiques pratiques basés sur la technologie de l'intrication quantique », a déclaré le Dr Hyang-Tag Lim du KIST.
« À l'avenir, en combinaison avec la technologie des puces quantiques basées sur la photonique silicium, elle pourrait être appliquée à un large éventail d'applications quotidiennes. »
