Des physiciens ont démontré une méthode pour détecter les gaz atmosphériques à distance en utilisant la lumière infrarouge, sans jamais détecter les photons infrarouges eux-mêmes. En exploitant les corrélations quantiques, la technique reconstitue un spectre d’absorption infrarouge moyen en utilisant uniquement des détecteurs proche infrarouge, ouvrant une nouvelle voie pour la télédétection des polluants et des gaz à effet de serre.
L’étude, publiée en prépublication sur arXiv par des chercheurs de l’Université de Genève, démontre la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en chemin ouvert utilisant des « photons non détectés », une technique qui repose sur l’intrication quantique pour déduire les propriétés de la lumière qui n’est jamais mesurée directement.
Comment ça fonctionne
La méthode commence par une source de paires de photons, typiquement un cristal non linéaire qui divise un seul photon de haute énergie en deux photons de plus basse énergie par conversion paramétrique descendante spontanée. Les deux photons sont corrélés quantiquement : l’un dans la gamme infrarouge moyen, la gamme qui porte les signatures d’absorption distinctives pour la plupart des molécules, et l’autre dans la gamme proche infrarouge, où les détecteurs sont bon marché, sensibles et fonctionnent à température ambiante.
Le photon infrarouge moyen voyage le long d’un chemin ouvert à travers l’atmosphère, où il peut être absorbé par les molécules cibles. Son jumeau proche infrarouge, le photon « non détecté » dans le nom de la technique, est envoyé vers un détecteur standard. Parce que les deux sont intriqués, l’information d’absorption portée par le photon infrarouge moyen est imprimée sur le partenaire proche infrarouge détectable.
Un interféromètre à transformée de Fourier balaie la différence de chemin, et le spectre d’absorption infrarouge moyen est reconstruit à partir du motif d’interférence des photons proche infrarouge détectés. Les photons infrarouges moyens eux-mêmes ne sont jamais directement détectés.
« Le spectre infrarouge moyen est reconstruit en détectant uniquement le rayonnement proche infrarouge, contournant ainsi les limitations importantes des détecteurs infrarouges », expliquent les auteurs.
La percée : fonctionnement en extérieur
Les démonstrations précédentes de cette technique étaient confinées aux montages de laboratoire sur paillasse. L’équipe genevoise a réalisé quelque chose de fondamentalement différent : ils ont envoyé les photons sur 43,4 mètres dans l’atmosphère extérieure, une distance sans précédent pour cette méthode.
Ils ont pu détecter du butane libéré intentionnellement dans le chemin ouvert, ainsi que du méthane atmosphérique naturel présent dans l’air ambiant.
« Ceci démontre la première utilisation de la spectroscopie infrarouge avec photons non détectés pour des mesures atmosphériques », écrivent les chercheurs.
L’innovation technique clé est la co-propagation de la paire de photons et du laser de pompe sur le même chemin optique. Cette conception simplifie l’alignement, rend le système robuste pour le déploiement sur le terrain et permet au faisceau sonde de parcourir de longues distances tout en maintenant la corrélation quantique nécessaire au fonctionnement de la technique.
Pourquoi c’est important
La spectroscopie infrarouge est l’étalon-or pour identifier et quantifier les gaz, chaque molécule possède une empreinte infrarouge unique, mais les détecteurs infrarouge moyen sont coûteux, nécessitent souvent un refroidissement cryogénique et souffrent d’une sensibilité inférieure à celle de leurs homologues proche infrarouge.
En déplaçant la détection vers le proche infrarouge, où les détecteurs au silicium standard fonctionnent près de la limite quantique, la technique contourne entièrement ces limitations. Le résultat est un système potentiellement moins cher, plus robuste et plus sensible que les approches conventionnelles.
Les implications s’étendent à la surveillance environnementale (détection continue des fuites de méthane sur les sites industriels), à la sécurité industrielle (détection à distance des émissions fugitives) et aux sciences atmosphériques (cartographie des concentrations de gaz à effet de serre à haute résolution spatiale).
La suite
La démonstration sur 43 mètres est une preuve de concept, pas un instrument finalisé. Un déploiement pratique nécessiterait d’étendre la longueur du chemin à des centaines ou des milliers de mètres, d’améliorer le rapport signal-sur-bruit pour les concentrations traces et de miniaturiser le système optique pour une utilisation sur le terrain.
Mais l’avancée fondamentale, démontrer que la détection corrélée quantiquement fonctionne dans des conditions extérieures réelles, pas seulement dans un laboratoire climatisé, marque la transition de la spectroscopie à « photons non détectés » d’une curiosité quantique à une technologie candidate pour des applications concrètes.
Reference: Neves, S., Armbruster, F., & Wolf, J.-P. (2026). “Remote Infrared Absorption Spectroscopy with Undetected Photons.” arXiv:2607.16419 [quant-ph].
Traduit par Lydie