Le premier microscope optique quantique au monde ouvre la voie pour l'étude des processus biologiques.
Les scientifiques qui examinent en profondeur des échantillons biologiques — ou les optométristes qui examinent votre rétine — ont besoin d'une lumière aveuglante pour voir sous la surface. En microscopie traditionnelle, le processus exhaustif et la lumière invasive de haute intensité peuvent endommager les cellules et réduire la qualité des images produites. Il faut donc prendre des précautions complexes, qui risquent aussi de limiter l'étude des processus biologiques.
Grâce aux innovations de la technologie quantique qui ont mené à la mise au point d'un nouveau microscope, tout devient dorénavant possible. Actuellement à l'étape du prototypage, ce microscope permet non seulement d'obtenir des images à haute résolution sans endommager les cellules, mais aussi de le faire plus rapidement sous une lumière de très faible intensité. Cette technologie innovante consiste à manipuler des photons — les plus petits paquets possibles d'énergie électromagnétique.
Mis au point par une équipe de scientifiques du CNRC, de l'Université de Calgary (uCalgary), de l'Université d'Ottawa (uOttawa) et d'ailleurs, ce microscope utilise des photons intriqués pour fournir un éclairage de très faible intensité. En exploitant la puissance des corrélations entre les photons individuels, la technologie accélère le processus et réduit le risque de dommages photographiques tout en donnant des images à haute résolution.
Selon le chef de projet, M. Shabir Barzanjeh, professeur agrégé au département de physique et d'astronomie de l'Université de Calgary, la technologie quantique non invasive protège les échantillons délicats et facilite la capture d'images claires. Sa détection photo basée sur la corrélation améliore le rapport signal-bruit, produisant des images 3D détaillées et très contrastées.
« Nous construisons également des systèmes d'apprentissage automatique pour accélérer le post-traitement et la reconstruction des images », ajoute-t-il. La technologie pourrait avoir des applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale, de la recherche clinique et de la science des matériaux.
Pour en savoir plus, consulter cet article publié en 2023 par les scientifiques dans la revue Physical Review Research (en anglais seulement) et voir cette courte vidéo décrivant l'utilisation des microscopes quantiques dans le domaine biomédical (en anglais seulement).
Les collaborations éclairent la voie du développement
M. Barzanjeh insiste sur le fait que les collaborations entre le monde universitaire et le secteur public — et, à terme, avec le secteur privé — sont essentielles au succès d'un projet aussi ambitieux et important. « Les techniques classiques avaient atteint leur limite de performance; il nous fallait donc aller plus loin », explique‑t‑il. Pour y arriver, les membres de l'équipe n'ont cessé d'échanger leurs connaissances et d'acquérir ensemble de nouvelles compétences.
Les trois établissements canadiens engagés dans ce projet justifient d'une longue expérience dans le développement de la technologie quantique. Selon Ben Sussman, chef de l'équipe de photonique quantique ultrarapide du CNRC et professeur auxiliaire de physique à l'Université d'Ottawa, il a fallu des décennies au CNRC pour mettre sur pied son équipe composée de spécialistes du monde entier. Et bien que le CNRC soit un chef de file mondial dans de nombreux domaines des sciences quantiques, nous avons aussi intérêt à tirer parti du savoir d'autres spécialistes.
« Le gros de la recherche est effectué par de jeunes doctorants et postdoctorants, qui sont essentiels à notre succès, précise M. Sussman. L'environnement dynamique de la recherche est un lieu de travail passionnant pour non seulement les scientifiques chevronnés, mais aussi ceux et celles qui aspirent à le devenir ».
Au nombre des jalons qu'elle a déjà franchis, l'équipe a mis au point une nouvelle technique d'imagerie utilisant une technologie hybride de la cavité optique/micro-ondes. Elle a également mis au point un dispositif de tomographie par cohérence optique quantique (Q-OCT) qui utilise des sources lumineuses non classiques pour reconstruire la composition interne de matériaux multicouches. Parmi ses autres réalisations, citons l'utilisation de lasers accordables pour éliminer les artefacts et les échos (fausses structures) dans les images, qui entravent la récupération d'informations à partir de tomographies. Dans ce cas, l'équipe a utilisé des algorithmes génétiques non seulement pour distinguer les interfaces réelles des artefacts et des échos, mais aussi pour accélérer le post-traitement.
L'équipe a tiré profit de l'aide financière du Programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » du CNRC pour construire le laboratoire, recruter des étudiants et étudiantes, et mettre sur pied le groupe QuantaSense (en anglais seulement), une jeune entreprise qui s'attache à élaborer une technologie quantique commercialisable à l'intention des laboratoires, hôpitaux et entreprises du monde entier.
« Ce programme souligne l'importance pour le CNRC d'aider les groupes de recherche à créer des collaborations essentielles qui font progresser la technologie quantique au Canada, déclare Aimee Gunther, directrice du Programme. Le programme des capteurs quantiques soutient la Stratégie quantique nationale du Canada en favorisant ce type de collaboration entre les scientifiques de tout le pays ». Mme Gunther souligne que le Canada tout entier bénéficie à bien des égards de l'excellence scientifique lorsque de nouvelles technologies sont élaborées et commercialisées par des entreprises naissantes dans un écosystème quantique canadien solide.
Hors du laboratoire
M. Barzanjeh, fondateur du groupe QuantaSense, indique que le projet de microscope en est au stade du prototypage et du déploiement. « Une fois que nous l'aurons construit et vendu, notre produit breveté sera le premier de ce type sur le marché, déclare-t-il. Offrant une amplification plus puissante pour une fraction du coût, il constituera une solution accessible et commercialement viable ».
L'entreprise est à la recherche d'investisseurs pour commercialiser cette technologie révolutionnaire et continuer à élaborer d'autres solutions de détection quantique.
« Nous ne cessons d'innover pour relever les plus grands défis de la société, ajoute M. Barzanjeh. Nos technologies de détection quantique répondent à des problèmes cruciaux dans divers domaines, y compris la santé et la surveillance de l'environnement, garantissant ainsi des impacts et des progrès importants ».
Ce projet est soutenu par des subventions et des contributions accordées dans le cadre du programme de collaboration en science, en technologie et en innovation, administré par le Bureau national des programmes du CNRC. Pour en savoir plus sur ce domaine de recherche, prière d'envoyer un courriel à NRC.QuantumSensors-CapteursQuantiques.CNRC@nrc-cnrc.gc.ca.