Les comportements à l’échelle atomique et subatomique recèlent un vaste potentiel pour améliorer notre façon de voir et d’interagir avec le monde, en améliorant les technologies actuelles et en donnant potentiellement naissance à de nouvelles.
Le principal avantage à tirer du domaine de la détection quantique est son extrême sensibilité et précision, capable de capter les signaux les plus ténus et de mesurer aux plus petites échelles.
Un magnétomètre optique amélioré par le quantique
Comme son nom l’indique, un magnétomètre mesure un champ magnétique et fournit ainsi des informations importantes sur les cibles par rapport à ce champ. Une boussole est un dispositif simple de ce type, révélant des informations sur la direction de quelqu’un par rapport au champ magnétique terrestre. Les scientifiques continuent de tirer parti de l’élégant pouvoir de cette technologie dans une liste croissante d’applications, de l’archéologie à l’exploration spatiale.
Le professeur en génie électrique et informatique Galan Moody et le scientifique Paolo Pintus visent à apporter la haute précision de la détection quantique à la magnétométrie, et à construire le tout sur une puce. Pensez à LIGO, l’interféromètre laser qui en 2015 a détecté les plus infimes ondulations générées par les ondes gravitationnelles originaires d’il y a 1,3 milliard d’années-lumière. L’équipe construira une expérience d’interféromètre analogue sur une puce à semi-conducteurs qui, au lieu des ondes gravitationnelles, pourra détecter les plus infimes variations des champs magnétiques.
Grâce à l’utilisation de la lumière compressée, des mesures très précises de la phase des ondes lumineuses par rapport à la cible sont possibles, tout en réduisant le bruit qui pourrait facilement obscurcir les mesures de haute précision.
De nouveaux algorithmes quantiques pour les horloges atomiques optiques
Les horloges atomiques optiques sont la référence en matière de mesure du temps ; leur capacité à mesurer le temps à des intervalles extrêmement fins en fait les instruments les plus précis jamais fabriqués. Basées sur les oscillations de la lumière aux hautes fréquences correspondant aux transitions atomiques, ces horloges « tictaquent » beaucoup plus vite que les horloges atomiques conventionnelles, qui fonctionnent à des fréquences micro-ondes, et sont prêtes à améliorer la mesure du temps et la synchronisation dans de nombreuses applications tout en permettant de nouvelles applications.
Pour continuer à développer le potentiel de ces horloges ultra-précises, le professeur de physique d’UC Santa Barbara Andrew Jayich, aux côtés de Kenneth Brown (Université Duke), Shimon Kolkowitz (UC Berkeley), David Leibrandt (UCLA) et Marianna Safronova (Université du Delaware) visent à réaliser de nouveaux algorithmes quantiques pour des réseaux d’horloges optiques.
Ces algorithmes pourraient permettre l’utilisation des horloges optiques comme capteurs, en tirant parti de leurs capacités de mesure exceptionnellement fines pour détecter les signaux les plus faibles de l’univers.
Des capteurs quantiques atomiques compacts et robustes pour la mesure du temps et l’inertie
Ce qui rend les capteurs quantiques idéaux – leur incroyable sensibilité – les rend également vulnérables au bruit apporté par les températures et les champs électromagnétiques. Le professeur en génie électrique et informatique Daniel Blumenthal travaillera à surmonter ces obstacles aux côtés de collègues de l’Université du Wisconsin-Madison (UW-Madison). Dirigée par la professeure d’ingénierie électrique et informatique de l’UW-Madison Jennifer Choy, l’équipe comprend également les professeurs de l’UW Mikhail Kats, Mark Saffman et Swamit Tannu.
Le capteur quantique de choix ? Des atomes froids. Lorsque les atomes sont refroidis à presque zéro absolu, ils acquièrent certaines propriétés quantiques ; le défi pour l’équipe est de permettre des capteurs à atomes froids qui sont non seulement compacts, mais aussi portables et robustes à l’environnement, en utilisant des technologies d’intégration photonique développées dans le laboratoire Blumenthal à UCSB.
En synthèse
La recherche présentée montre comment les propriétés quantiques à l’échelle atomique peuvent être exploitées pour développer des capteurs et horloges optiques d’une précision inégalée. Les magnétomètres et horloges atomiques optiques quantiques permettront des mesures ultra-sensibles avec de nombreuses applications potentielles.
Des défis restent à relever pour miniaturiser et rendre ces technologies quantiques plus robustes, notamment face aux perturbations thermiques et électromagnétiques.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un magnétomètre optique quantique ?
Un magnétomètre optique quantique utilise la lumière compressée pour mesurer les champs magnétiques avec une sensibilité extrême, dépassant les limites des techniques conventionnelles.
Comment les horloges atomiques optiques quantiques améliorent la mesure du temps
Les horloges atomiques optiques quantiques « tictaquent » beaucoup plus vite que les horloges atomiques classiques et permettent de mesurer des intervalles de temps extrêmement courts.
Quels sont les défis pour ces technologies quantiques ?
Les principaux défis sont de miniaturiser ces technologies tout en les rendant plus robustes aux perturbations thermiques et électromagnétiques.
Quelles sont les applications potentielles ?
Les applications sont nombreuses : navigation, géosciences, biomédecine, exploration spatiale, mesure du temps de précision, détection d’ondes gravitationnelles, etc.
Comment l’intégration photonique aide-t-elle ?
L’intégration de composants photoniques sur puce permet de miniaturiser ces capteurs quantiques et de les rendre plus compacts et portables.
Qu’est-ce que le programme QuSeC-TAQS de la NSF ?
QuSeC-TAQS est un programme de la NSF doté de 29 millions de dollars pour faire progresser la recherche sur les capteurs quantiques aux États-Unis.
Ces recherches vont-elles révolutionner la science ?
Plutôt que de parler de révolution, il est préférable d’évoquer des progrès scientifiques et technologiques majeurs grâce aux capacités uniques de la physique quantique.
Quelle est la prochaine étape significative ?
Une étape importante sera de démontrer des prototypes fonctionnels de ces capteurs quantiques miniaturisés, et de les tester dans des conditions réelles pour prouver leurs performances et leur robustesse. Il faudra également poursuivre les efforts de recherche sur l’intégration photonique et les algorithmes quantiques optimisés pour ces capteurs. À plus long terme, le défi sera de transformer ces technologies en produits commerciaux viables.
Légende illustration principale : Un magnétomètre quantique sur puce – Crédit Brian Long
A lire : « Photonic integrated beam delivery for a rubidium 3D magneto-optical trap » – Nature : https://www.nature.com/articles/s41467-023-38818-6
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