Attosecond delay metrology beyond the photon coherence time with spectrally resolved Hong-Ou-Mandel interferometry

Imaginez que vous essayiez de mesurer la distance entre deux amis se tenant dans un champ brumeux. Si vous utilisez une lampe de poche standard, vous pouvez seulement dire qu'ils sont proches si leurs ombres se chevauchent parfaitement ; dès qu'ils s'éloignent trop, le brouillard engloutit le signal et vous perdez leur trace. C'est ainsi que fonctionnent les outils de mesure de lumière traditionnels : ils reposent sur la « cohérence » de la lumière, une façon sophistiquée de dire combien de temps les ondes lumineuses restent en phase les unes avec les autres. Si la différence de chemin est supérieure à ce pas, la mesure s'effondre. Mais et si vous pouviez utiliser une sorte de lampe de poche spéciale qui ne se contente pas de projeter un faisceau, mais envoie une paire de jumeaux parfaitement synchronisés ? Dans le monde de la physique quantique, ces photons « jumeaux » sont intriqués, ce qui signifie que leurs destins sont liés, peu importe la distance qui les sépare. Les scientifiques utilisent depuis longtemps ces jumeaux pour mesurer des distances infimes avec une précision incroyable, mais ils se sont heurtés à un mur : ils ne pouvaient mesurer que des distances inférieures au « temps de cohérence » des jumeaux, qui est comme une fenêtre d'opportunité très courte avant que les jumeaux ne perdent leur connexion. Cette limitation a maintenu la super-précision quantique enfermée dans les laboratoires, incapable de mesurer des objets plus épais ou des distances plus longues sans des ajustements constants et minutieux.

Mais une équipe de chercheurs a trouvé un moyen ingénieux de briser ce mur de brume. Ils ne se sont pas contentés de regarder quand les jumeaux arrivaient ; ils ont regardé les couleurs des jumeaux à leur arrivée. En analysant les « franges » spectrales spécifiques (pensez à des rayures ou des ondulations colorées) créées lorsque ces jumeaux de photons interfèrent, l'équipe a découvert qu'elle pouvait mesurer des délais bien au-delà de la limite traditionnelle. C'est comme réaliser que même si les jumeaux marchent à des kilomètres l'un de l'autre, le motif de leurs empreintes de pas contient toujours un code secret qui vous dit exactement quelle distance ils ont parcourue, tant que vous savez lire le rythme de leurs pas. Cette percée signifie que nous pouvons désormais utiliser la lumière quantique pour mesurer des choses avec une précision de l'ordre de l'attoseconde (c'est-à-dire un milliardième de milliardième de seconde) sur des distances des centaines de fois plus grandes qu'auparavant, sans avoir besoin de recalibrer constamment la machine.

La règle quantique qui n'a jamais besoin d'être calibrée

Dans cet article, les chercheurs démontrent une nouvelle façon de mesurer les délais temporels et les distances en utilisant une technique appelée interférométrie de Hong–Ou–Mandel (HOM) résolue spectralement. Pour comprendre ce qu'ils ont fait, regardons d'abord l'ancienne méthode. Traditionnellement, les scientifiques utilisent l'interférométrie HOM pour mesurer le temps qu'une lumière met pour parcourir une certaine distance. Ils envoient deux photons identiques dans un séparateur de faisceau (un miroir qui divise la lumière). Si les photons arrivent exactement au même moment, ils se « regroupent » (effet de bunching) et sortent du même côté, créant un creux dans le nombre de fois où ils sont détectés séparément. Ce creux est la « règle » qu'ils utilisent. Cependant, cette règle est très courte ; elle ne fonctionne que si la différence de chemin est comprise dans le « temps de cohérence » du photon (la largeur de ce creux). Si l'objet est trop épais ou le délai trop long, le creux disparaît et la mesure échoue.

Les auteurs de cet article soutiennent que nous n'avons pas besoin de nous appuyer sur la profondeur de ce creux. Au lieu de cela, ils montrent que si l'on observe les couleurs (fréquences) des photons, on voit un motif différent : une série de franges d'interférence qui ressemblent à un code-barres. Ces franges persistent même lorsque la différence de chemin est énorme — bien au-delà de la limite traditionnelle. La découverte clé est que la fréquence (la vitesse à laquelle les rayures se répètent) de ces franges spectrales est directement liée au délai temporel. En mesurant si ces rayures colorées sont « serrées » ou « lâches », les chercheurs peuvent calculer le délai avec une précision extrême, quelle que soit la distance parcourue par les photons.

Les résultats : Voir l'invisible

L'équipe a construit un dispositif personnalisé utilisant une caméra spéciale capable de marquer le temps et la couleur exacts de chaque photon individuel. Ils ont généré des paires de photons intriqués et ont envoyé l'un d'eux sur un chemin qui pouvait être ajusté pour créer un délai. Voici ce qu'ils ont trouvé :

• Briser la limite : Ils ont réussi à mesurer des délais de chemin allant de -300 µm à 300 µm, et même jusqu'à 1 mm. C'est une plage massive, dépassant la largeur traditionnelle du « creux HOM » (qui n'était que de 5,7 µm) de plus d'ordres de grandeur (plus de 100 fois plus grande).
• Une précision inégalée : En collectant des données à partir d'un million de paires de photons détectées, ils ont atteint une précision de délai temporel de 20 attosecondes, ce qui correspond à une précision de distance de 6 nanomètres. Même en fonctionnement en « temps réel » (traitement des données au fur et à mesure à 1 Hz), ils ont maintenu une précision de 330 attosecondes (soit 100 nanomètres).
• Plus besoin de recalibrage : L'un des aspects les plus passionnants est que cette méthode est « robuste ». Dans les anciennes méthodes, si vous perdiez certains photons (à cause d'une lentille sale ou d'un échantillon épais) ou si l'interférence n'était pas parfaite, vous deviez arrêter et recalibrer la machine. Parce que cette nouvelle méthode repose sur la périodicité (le rythme) des franges plutôt que sur le nombre absolu de photons, elle fonctionne parfaitement même si le signal est faible ou si la visibilité chute. Ils ont prouvé cela en mesurant l'épaisseur d'un cristal de 300 µm et même en introduisant des pertes de photons avec des filtres ; la mesure est restée précise sans aucun recalibrage.

Pourquoi cela importe

Les auteurs écartent explicitement l'idée qu'il faille scanner l'interféromètre ou calibrer le « creux » pour obtenir ces résultats. Ils démontent que l'information de délai est encodée dans les franges spectrales, qui restent stables et lisibles sur une vaste plage. C'est une avancée significative car cela fait passer la métrologie quantique d'une expérience de laboratoire délicate à un outil pratique.

Pour prouver que cela fonctionne dans le monde réel, ils ont utilisé leur dispositif pour mesurer l'épaisseur d'une cible transmissive de 300 µm (un cristal de BBO) avec une précision nanométrique en une seule prise. Ils ont trouvé que le cristal mesurait 309 716 ± 30 nm. Cela démontre que la technique peut traiter des objets du monde réel sans nécessiter les conditions parfaites et stériles habituellement requises pour les mesures quantiques.

Bien que le système actuel soit limité par la vitesse de leur caméra et l'efficacité de leurs détecteurs (qui ne captent qu'environ 8 % des photons), les auteurs suggèrent que de futures mises à niveau avec de meilleurs détecteurs pourraient rendre cela encore plus rapide et précis. Ils envisagent l'utilisation de cette technologie pour des applications telles que la mesure de l'épaisseur de matériaux, la tomographie de cohérence optique quantique (une version haute technologie de l'imagerie médicale), et la détection de déplacement à longue portée dans des environnements où la perte de lumière est inévitable.

En résumé, cet article montre qu'en écoutant la « chanson de couleur » des photons intriqués plutôt qu'en se contentant de les compter, nous pouvons mesurer le monde avec une précision quantique sur des distances auparavant jugées impossibles, le tout sans nécessiter de manipulations et de recalibrages constants.