La distillation de l'imagerie quantique expérimentale avec de la lumière non détectée.

8 septembre 2023 Caractéristique

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Corrigé par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Il est possible de visualiser un objet avec un effet de cohérence induite en utilisant des paires de photons pour obtenir des informations sur l'objet d'intérêt - sans détecter la lumière qui le sonde. Tandis qu'un photon illumine l'objet, son partenaire est seul détecté, empêchant ainsi la mesure d'événements de coïncidence de révéler des informations sur l'objet recherché. Cette méthode peut être rendue résistante au bruit.

Dans un nouveau rapport publié dans Science Advances, Jorge Fuenzalida et une équipe d'optique appliquée, d'ingénierie de précision et de communications théoriques en Allemagne ont montré expérimentalement comment la méthode peut être rendue résistante au bruit. Ils ont introduit une approche d'imagerie distillée basée sur la modulation interférométrique du signal d'intérêt pour générer une image de haute qualité d'un objet, quel que soit le niveau extrême de bruit dépassant le signal d'intérêt réel.

L'imagerie quantique est un domaine prometteur qui émerge avec des avantages valides par rapport aux protocoles classiques. Les chercheurs ont démontré que cette méthode fonctionne dans différents scénarios avec un faible flux de photons en utilisant des photons de sondage indétectés pour une imagerie à super-résolution.

Les scientifiques peuvent également développer des protocoles en imagerie quantique sans équivalent classique basés sur l'interférence quantique et l'entanglement. Les protocoles d'imagerie quantique peuvent cependant être rendus résistants au bruit. Par exemple, la distillation ou la purification peuvent éliminer la décohérence introduite par l'environnement dans un système quantique.

Il est également possible de mettre en œuvre une distillation d'imagerie quantique avec un ou plusieurs degrés de liberté de paires de photons. Dans ce travail, Fuenzalida et son équipe ont introduit et vérifié expérimentalement une méthode de distillation d'imagerie quantique pour détecter uniquement des photons uniques.

La méthode d'imagerie quantique avec une lumière non détectée (abrégée en QIUL) offre une méthode d'imagerie interférométrique grand champ à deux photons. Pendant ce processus, un photon peut illuminer un objet, tandis que seul son partenaire photon est détecté sur la caméra. Incidemment, le photon illuminant l'objet reste indétecté.

La méthode offre une méthode de découverte unique pour sonder des échantillons. Les scientifiques ont ensuite introduit une source de bruit dans le schéma d'imagerie quantique pour étudier sa résilience et montrer de bonnes performances même pour des intensités de bruit supérieures à 250 fois l'intensité du signal quantique.

La distillation d'imagerie quantique est une méthode utilisée pour nettoyer une image quantique du bruit. L'équipe a illustré la méthode de distillation en définissant une image de bruit comme un signal indésirable superposé à une image quantique sur la caméra. Pour distiller une image, Fuenzalida et son équipe ont utilisé l'holographie quantique avec une lumière non détectée (abrégée en QHUL), où les informations sur l'objet étaient transportées dans un motif d'interférence à photon unique. Si la différence d'intensité de la méthode est plus grande que la variance d'intensité du bruit, l'équipe peut distiller l'image quantique.

Pour générer des paires de photons médiées par l'interaction d'un faisceau de pompe intense avec les atomes d'un cristal non linéaire, l'équipe a utilisé la conversion descendante paramétrique spontanée. Le schéma d'imagerie utilisait un interféromètre pour générer une paire de photons signal-sonde dans les modes de propagation avant et arrière. La variance du bruit dans l'installation contribuait à la variance de l'intensité du signal ; si la différence d'intensité du signal est supérieure à la variance du bruit, l'image quantique peut être distillée.

Fuenzalida et ses collègues ont mis en place une configuration expérimentale utilisant un interféromètre non linéaire dans une configuration de Michelson et ont pompé un cristal avec un laser en onde continue. En raison de la forte non-linéarité de l'expérience, l'équipe a généré une paire de photons via une conversion descendante paramétrique spontanée le long des chemins, bien que jamais simultanément. Ils ont séparé les faisceaux signal, sonde et pompe dans la direction de propagation avant en utilisant des miroirs dichroïques et réfléchis dans le cristal avec une série de miroirs.

The camera in the experimental framework showed an interference pattern of signal photons, which the team noted as the transfer of object information obtained by the idler photon to the signal photon interference pattern. The team used a continuous wave diode laser with a variable pump power to introduce noise into the system, and varied the properties of classical illumination, intensity and variance to examine the effects of noise and the distillation performance.

The scientists superimposed classical and quantum images to perform quantum holography with undetected light to distill or clean the quantum image under diverse intensities of noise. For the quantum image, they used signal photons generated in a single pass through a crystal, where the signal intensity did not change during the experiments. They characterized different noise intensities by superimposing quantum and classical images on the camera, and as the noise intensity increased, they measured the accuracy of the experimental results.

The researchers conducted a second experiment to quantify the effects of varying noise on the phase accuracy of distilled images by using similar configurations of noise intensities. The experimental behavior was in good agreement to theory, and compared well to existing methods.

In this way, Jorge Fuenzalida, and colleagues investigated quantum imaging with undetected light (QIUL) in a two-photon wide-field interferometric imaging method. While one photon illuminated the object of interest and its partner remained on the camera, the illuminating photon remained undetected. The scientists distilled or cleaned the image by using quantum holography with undetected light (QHUL). They proved the imaging method by superimposing partially or completely a classical source of noise on top of the quantum image on the camera. The method worked every time, even with noise intensities higher than the signal intensity.

The team explored the limits of the method by presenting simulations of quantum holography under extreme noise scenarios. The experimental outcomes provide a step forward for quantum imaging in open systems to even examine the limits of innovative versions of quantum-based light detection and ranging (LIDAR), by using undetected light.

Ron Tenne et al, Super-resolution enhancement by quantum image scanning microscopy, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0324-z

Journal information: Nature Photonics , Science Advances

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