Une équipe de chercheurs a démontré la sensibilité ultime permise par la physique quantique pour mesurer le délai entre deux photons. —

En mesurant leur interférence au niveau d’un séparateur de faisceau par des mesures d’échantillonnage à résolution de fréquence, l’équipe a montré qu’une précision sans précédent peut être atteinte dans la technologie actuelle avec une erreur d’estimation qui peut être encore réduite en diminuant la bande passante temporelle photonique.

Cette percée a des implications importantes pour une gamme d’applications, y compris une imagerie plus réalisable des nanostructures, y compris des échantillons biologiques, et des surfaces de nanomatériaux, ainsi qu’une estimation améliorée quantique basée sur l’échantillonnage de bosons résolu en fréquence dans les réseaux optiques.

La recherche a été menée par une équipe de scientifiques de l’Université de Portsmouth, dirigée par le Dr Vincenzo Tamma, directeur du Quantum Science and Technology Hub de l’Université.

Le Dr Tamma a déclaré: “Notre technique exploite l’interférence quantique qui se produit lorsque deux photons uniques frappant les deux faces d’un séparateur de faisceau sont impossibles à distinguer lorsqu’ils sont mesurés au niveau des canaux de sortie du séparateur de faisceau. Si, avant d’affecter le séparateur de faisceau, un photon est retardé en temps par rapport à l’autre en traversant ou en étant réfléchi par l’échantillon, on peut retrouver en temps réel la valeur d’un tel retard et donc la structure de l’échantillon en sondant l’interférence quantique des photons en sortie du faisceau séparateur.

“Nous avons montré que la meilleure précision dans la mesure du retard temporel est obtenue lors de la résolution d’une telle interférence à deux photons avec des mesures d’échantillonnage des deux photons dans leurs fréquences. En effet, cela garantit que les deux photons restent complètement indiscernables aux détecteurs, indépendamment de leur retard à n’importe quelle valeur de leurs fréquences échantillonnées détectées à la sortie.”

L’équipe a proposé l’utilisation d’un interféromètre à deux photons pour mesurer l’interférence de deux photons au niveau d’un séparateur de faisceau. Ils ont ensuite introduit une technique basée sur des mesures d’échantillonnage à résolution fréquentielle pour estimer le délai entre les deux photons avec la meilleure précision possible permise par la nature, et avec une sensibilité croissante à la diminution de la bande passante temporelle photonique.

Le Dr Tamma a ajouté : « Notre technique surmonte les limites des techniques d’interférence à deux photons précédentes en ne récupérant pas les informations sur les fréquences photoniques dans le processus de mesure.

“Cela nous permet d’employer des photons de la durée la plus courte possible expérimentalement sans affecter la distinction des photons retardés dans le temps au niveau des détecteurs, et donc de maximiser la précision de l’estimation du retard avec une réduction remarquable du nombre de paires de photons requises. Cela permet une caractérisation relativement rapide et efficace de l’échantillon donné ouvrant la voie à des applications en biologie et en nano-ingénierie.”

Les applications de cette recherche révolutionnaire sont importantes. Il a le potentiel d’améliorer considérablement l’imagerie des nanostructures, y compris des échantillons biologiques, et des surfaces de nanomatériaux. De plus, cela pourrait conduire à une estimation améliorée quantique basée sur l’échantillonnage de bosons résolu en fréquence dans les réseaux optiques.