Microscopie Hong-Ou-Mandel sensible à la phase – PHOM-Scope

L'utilisation des corrélations quantiques pour reconstruire les caractéristiques spatiales d'un objet est au cœur de l'imagerie quantique. Dans l'imagerie quantique de corrélation, l'étape cruciale consiste à reconstruire les corrélations spatiales entre les photons. Initialement, cela était réalisé grâce à des méthodes de balayage laborieuses, mais l'avènement des caméras à photon unique a considérablement simplifié le processus. Contrairement aux détecteurs de pixel unique par balayage, ces caméras peuvent sonder simultanément plusieurs modes spatiaux, marquant ainsi une étape importante dans la technologie de détection quantique. Cette avancée a ouvert la voie à diverses applications du traitement de l'information quantique, notamment l'imagerie et l'analyse de l'intrication quantique en haute dimension, la distillation robuste d'images dans du bruit, l'holographie quantique, et notamment la microscopie quantique par interférométrie Hong-Ou-Mandel (HOM).

Le principe de l'interférométrie HOM est le suivant : deux photons entrent dans les ports d'entrée d'un séparateur de faisceau équilibré, et des détecteurs à photon unique mono-pixel sont disposés pour une détection conjointe aux ports de sortie du séparateur. Si les photons sont identiques et se superposent à la sortie du diviseur, ils se regrouperont, créant ainsi une interférence destructive. Cela établit un mécanisme de synchronisation temporelle pour faire de l'imagerie précise à une profondeur donnée. Notamment, cette interférence est insensible aux variations de phase, la rendant robuste contre les instabilités mécaniques telles que les vibrations.

Une récente démonstration a appliqué cette technique interférométrique à la microscopie. Le signal d'interférence fournit une cartographie de la position axiale (profondeur) au nombre d'événements de détection conjoints, appelés coïncidences. Par conséquent, le nombre de coïncidences le long d'un bord du creux de HOM peut estimer les profondeurs relatives sans balayer le retard entre les photons. On a estimé que cette cartographie pourrait atteindre une précision axiale de l'ordre du nanomètre. Ndagano, Defienne et al. ont étendu ce principe à des dimensions supérieures, permettant une imagerie HOM plein champ en mesurant de nombreuses paires de modes spatiaux. Ils ont démontré la reconstruction du profil de profondeur d'un échantillon gravé dans du verre avec une précision de l'ordre du micron. Bien que la sensibilité soit comparable à l'OCT, certaines contraintes physiques limitent l'atteinte d'une précision de l'ordre du nanomètre, telles que les fluctuations d'éclairage dues au processus de génération stochastique et le bruit de pixel non uniforme (comptages sombres) sur le capteur. Pour relever ces défis, des efforts d'ingénierie importants et des améliorations de conception sont nécessaires. Ce projet vise à améliorer la plateforme de microscopie HOM pour permettre des fonctionnalités supplémentaires, ce qui permettrait de faire progresser son applicabilité dans des scénarios réels.

L'objectif de cette proposition de recherche est d'établir une nouvelle plateforme pour la microscopie optique basée sur des effets quantiques, notamment l'interférométrie Hong-Ou-Mandel. Notre vision est de développer un microscope quantique robuste capable de résoudre simultanément les caractéristiques microscopiques et nanoscopiques d'échantillons biréfringents et non biréfringents.