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Physique

Détection de photons isolés pour des mesures à la limite quantique

Imagez événements dynamiques et d’interactions aux plus petites échelles avec des temps d’exposition extrêmement courts sur de larges plages spectrales grâce aux caméras de Nüvü Camēras et à leurs performances inégalées en terme de bruit. Repoussez ainsi les frontières de la connaissance avec moins de restrictions techniques.

Crédit: Université de Heidelberg

Applications en physique

Imagerie d’atomes ultra-froids

Par le refroidissement d’atomes ou d’ions soigneusement préparés à des températures approchant le zéro absolu, un régime est atteint où les effets quantiques sont assez importants relativement pour affecter visiblement les atomes. Le montage expérimental peut être contrôlé précisément pour générer des réseaux d’atomes et observer certaines interactions spécifiques, menant à des observations pratiques de questions théoriques complexes.

Les atomes froids peuvent être utilisés pour des observations expérimentales de problèmes théoriques difficiles, mais également pour le développement de l’informatique quantique. Chaque atome dans le réseau fonctionne comme un seul qubit – son émission de lumière déterminant l’état 0 ou 1 du qubit. Les EMCCD de Nüvü sont une technologie idéale pour déterminer l’état de ces qubits, car elles offrent une sensibilité au photon unique en champ large.

Mesures à flux ultra-faibles

Un seul atome génère très peu de fluorescence, avec des flux parfois aussi bas que quelques photons par seconde, et ne peut pas être excité à haute puissance, car l’échantillon serait perturbé, causant alors la perte des états quantiques préparés très soigneusement. De plus, l’utilisation d’expositions de quelques microsecondes est nécessaire pour certaines mesures, ce qui aggrave le problème de faiblesse du signal.

Boucle de calcul quantique à faible latence

Dans un ordinateur quantique, tel qu’une plateforme d’atomes neutres/Rydberg, l’EMCCD ne constitue qu’une partie du système et doit relayer l’information sur l’état des qubits aussi rapidement que possible aux autres composants, tel que le système de contrôle quantique, pour permettre les ajustements rapides nécessaires à un calcul quantique tolérant aux erreurs.

L’EMCCD fait donc partie d’une boucle où l’état des qubits est continuellement surveillé et ajusté – ce qui signifie que des taux d’image élevés sont cruciaux pour la performance du calcul. Seul Nüvü Camēras propose un taux de lecture des pixels de 30 MHz sur tous ses modèles pour une vitesse d’imagerie inégalée et prend en charge des capteurs à sortie multiple, comme la HNü 240, qui permet d’avoir des taux d’image plus rapides même avec des capteurs plus grands.

Des performances accrues de comptage de photons

Avec une injection de charges (CIC) moindre, la source principale de bruit dans les caméras EMCCD, une caméra de Nüvü peut atteindre un gain EM allant jusqu’à 5000, alors que les EMCCD habituelles se limitent à 1000. Ce gain supérieur, alimenté par les composantes électroniques brevetées Nüvü, est crucial dans le but d’obtenir les meilleures performances de comptage de photons et permet la détection de plus de photons réels.

Ces composantes électroniques permettent aussi d’opérer le capteur plus rapidement et d’obtenir des fréquences d’imagerie plus élevées ou d’employer des modes de lecture spécifiques pour atteindre des temps d’exposition très bas. De cette façon, Nüvü atteint à la fois les fréquences d’imagerie et la sensibilité nécessaires pour obtenir des images de haute qualité dans ces conditions.

Démonstration: Étude de gaz quantiques

Prof. Selim Jochim et Prof. Fred Jendrzejewski de University of Heidelberg, une tête de file dans la recherche en physique quantique, effectuent tous deux des recherches sur les gaz quantiques. En utilisant la HNü512 de Nüvü, avec l’injection de charge (CIC) la plus faible disponible et des performances en comptage de photons améliorées, ils ont complétés leurs observations de phénomènes quantiques jusqu’au détail de l’atome individuel, pavant ainsi le chemin pour de futurs développements en informatique quantique.

Ions piégés

Pour pouvoir développer des ordinateurs quantiques, il faut d’abord mieux comprendre son unité d’information de base, le bit quantique, ou qubit. Il est possible de préparer plusieurs ions de sorte qu’ils se retrouvent dans un état superposé, où ils se comportent ainsi comme des qubits, et de les piéger dans un potentiel d’onde stationnaire pour former une chaîne d’ions. Cette chaîne peut s’utiliser comme registre pour tester des opérations et des algorithmes, permettant d’approfondir notre compréhension de l’informatique quantique et au bout du compte d’étendre des principes à des unités de traitement plus grandes.

Fenêtre d’émission courtes

En raison de la nature éphémère de certains ions, ou simplement pour permettre d’enchaîner rapidement de nombreux tests, atteindre des temps d’exposition très court est crucial pour surveiller les expériences avec des ions piégés.

Les EMCCDs sont particulièrement adaptées à cette tâche car, en raison de leur architecture de lecture, la taille horizontale de la région d’intérêt pour l’imagerie n’affecte pas la fréquence d’acquisition. Cela signifie qu’il est possible d’imager une longue chaîne d’ions à des fréquences d’images extrêmement élevées puisqu’ils n’occupent que quelques lignes sur le capteur – c’est particulièrement le cas avec Nüvü qui offre une vitesse de lecture plus rapide de 30 MHz sur tous les capteurs EMCCD..

Par ailleurs, Nüvü propose des schémas de triggering flexibles pour permettre une synchronisation précise avec l’excitation laser, quel que soit le montage utilisé. Le temps d’attente entre les émissions peut également être utilisé pour réduire davantage le temps d’exposition minimal.

La détection à flux faible, un défi

Étant donnée la courte durée de vie de certains ions, il est crucial d’obtenir des images de haute qualité en peu de temps d’exposition, ce qui peut s’avérer difficile sans caméra spécialisée à cause du bruit de lecture. C’est un défi d’autant plus pertinent que beaucoup d’ions émettent dans l’UV, une région où l’efficacité quantique des caméras est typiquement inférieure.

Nüvü offre de multiples solutions UV pour améliorer l’efficacité quantique dans les longueurs d’onde UV jusqu’à 150 nm, améliorant grandement la qualité des mesures à ces longueurs d’ondes. Grâce à la multiplication des électrons dans l’EMCCD, le bruit de lecture effectif s’en trouve négligeable, et avec le CCCP de Nüvü, la deuxième plus important source de bruit, l’injection de charge (CIC), s’en trouve significativement réduite. Ceci permet un rapport signal sur bruit (RSB) plus élevé, même pour des temps d’expositions extrêmement courts.

Imagerie de paires de photons

Dans le but de caractériser l’intrication quantique, il est essentiel de pouvoir détecter des paires de photons. Cela signifie que le détecteur doit posséder la capacité de détecter des photons isolés. Bien des détecteurs à comptage de photons pâtissent malheureusement d’une faible efficacité quantique ou bien doivent être placés en matrice à faible facteur de remplissage où l’on reconstruit une image à partir de plusieurs appareils.

Des caméras EMCCD bâties spécialement pour le comptage de photons

Les caméras EMCCD de Nüvü Camēras sont conçues pour offrir les meilleures performances en comptage de photons, avec une probabilité de détection de photons isolés de plus de 91%. Grâce à de l’électronique redessinée qui réduit significativement l’injection de charge (CIC), la source principale de bruit dans les EMCCD, permettant un gain EM jusqu’à 5000. Grâce à une efficacité quantique de plus de 95% et un facteur de remplissage de 100%, Nüvü combine l’imagerie à champ large et une performance exceptionnelle de comptage de photons.

Démonstration: l’importance du gain en imagerie à faible flux

Prof. François Amblard au Institute for Basic Science est un expert dans une variété d’applications du comptage de photons.

L’article démontre les requis pour du comptage de photons à haute efficacité avec les EMCCDs ainsi que les performances de détection en faible-flux uniques de la HNü 512 de Nüvü. L’article illustre également l’impact du gain et de l’injection de charge sur les performances en comptage de photons des EMCCD.

Prêt à compter des photons?

Des questions sur l'EMCCD ou l'imagerie à faible flux lumineux ? Les experts de Nüvü Camēras peuvent vous conseiller sur les options d'imagerie en basse lumière.

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