Les expériences sur les atomes froids comptent parmi les moyens les plus puissants et les plus précis pour étudier et mesurer l’Univers et explorer le monde quantique. En piégeant des atomes et en exploitant leurs propriétés quantiques, les scientifiques peuvent découvrir de nouveaux états de la matière, détecter les signaux les plus faibles, effectuer des mesures ultra-précises du temps et de la gravité, et mener des expériences de détection et de calcul quantiques.
Cependant, aussi puissantes et sophistiquées soient-elles, ces expériences sont encore confinées à l’environnement hautement contrôlé du laboratoire, où elles sont mises en place sur des tables optiques et des racks d’équipements conçus pour isoler l’environnement et offrir aux utilisateurs la stabilité nécessaire pour aligner avec précision les différents lasers et composants optiques, notamment les lentilles, les modulateurs, les déphaseurs et autres composants qui génèrent, manipulent et accordent les ondes lumineuses nécessaires aux expériences quantiques.
Selon Daniel Blumenthal, professeur d’ingénierie électrique et informatique à l’université de Californie à Santa Barbara, il y a beaucoup à apprendre en sortant ces expériences du laboratoire et en utilisant leur puissance pour mesurer et surveiller des phénomènes dans le monde extérieur.
« Vous pouvez mesurer l’élévation du niveau de la mer, les changements dans la banquise, et même les tremblements de terre avec une précision de cent kilomètres », a-t-il déclaré. « Littéralement, vous pouvez voir les événements qui se produisent sur Terre à partir des champs gravitationnels autour de la planète. De plus, des mesures précises du temps dans l’espace ouvriront de nouvelles voies pour les expériences gravitationnelles et la recherche de nouvelles particules telles que la matière noire. »
Petits composants, grandes performances
C’est pourquoi, depuis plus d’une décennie, Daniel Blumenthal et ses collaborateurs s’efforcent de transposer les différentes fonctions des expériences quantiques actuelles sur les atomes froids dans une forme plus portable et plus facile à déployer, en intégrant des systèmes de table complets dans des appareils qui tiennent dans la paume de la main. Tout a commencé par une série de projets à l’échelle d’une puce pour l’Agence américaine de recherche sur les projets de défense avancés (DARPA).
« Ils voulaient fabriquer une horloge atomique de petite taille », se souvient Blumenthal à propos d’un projet particulier, « et nous étions responsables de la transmission du faisceau ». Le « faisceau » fait référence aux lasers utilisés pour piéger, refroidir et sonder les atomes de chronométrage — probablement du césium ou du rubidium — qui doivent être confinés depuis leur source atomique vers une « mélasse atomique » froide où le chronométrage peut être effectué.
Cette initiative a conduit les chercheurs à se poser la question suivante : pourquoi ne pas miniaturiser le reste de la table optique ? Outre la transmission du faisceau, il existe des composants chargés de la lumière (lasers), des cavités de stabilisation, des modulateurs optiques, du décalage de fréquence, de la programmation de fréquence, de la commutation et du contrôle d’intensité, soit tout le matériel destiné à manipuler et modifier le signal optique lorsqu’il est relayé d’un point à un autre.
Cette miniaturisation n’est pas une tâche simple. En plus de reproduire les fonctions d’une table optique, les composants doivent le faire avec les performances nécessaires pour effectuer le refroidissement, le piégeage, la préparation et la mesure des états atomiques sur des puces miniatures comme cela se ferait sur des tables optiques conventionnelles, puis offrir aux utilisateurs la même stabilité dans le monde extérieur, le tout dans une configuration durable capable de résister aux environnements extrêmes dans lesquels ils pourraient être déployés.
« Nous voulons créer la même stabilité et la même précision, mais en y ajoutant la fiabilité et la facilité de fabrication à plus grande échelle pour un grand nombre de qubits », a expliqué M. Blumenthal. Les puces nécessiteraient également moins d’énergie, a-t-il ajouté, et leur production serait moins coûteuse, ce qui permettrait une plus grande accessibilité et une commercialisation à plus grande échelle.
Heureusement, les progrès de la photonique intégrée permettent de plus en plus aux ingénieurs et aux scientifiques de développer du matériel optique à l’échelle d’une puce ; dans d’autres domaines tels que les télécommunications et la biomédecine, les circuits intégrés photoniques jouent déjà un rôle majeur. Le moment était venu de surfer sur la vague.
La première étape importante pour Blumenthal et son équipe a été franchie en 2023, lorsqu’ils ont annoncé qu’ils étaient parvenus à créer pour la première fois des atomes de rubidium froids à l’aide de faisceaux délivrés par des composants photoniques intégrés, grâce à leur piège magnéto-optique 3D photonique intégré (PICMOT). Le faisceau, intégré dans une plateforme d’intégration en nitrure de silicium à faible perte, relie les lasers de refroidissement et de repompage à trois faisceaux qui interagissent ensuite avec les atomes de rubidium dans le vide. Les trois faisceaux traversent la cellule atomique et sont réfléchis par des miroirs pour former la zone d’intersection optique utilisée pour refroidir et piéger les atomes de rubidium, en combinaison avec des bobines magnétiques. Une fois les atomes refroidis formés, d’autres lasers peuvent être utilisés pour exploiter les propriétés des atomes froids et réaliser d’autres expériences quantiques.
« Les atomes chauds — les atomes thermiques — se déplacent beaucoup », a expliqué M. Blumenthal. « Si vous refroidissez maintenant les atomes et que vous attachez un laser à ces transitions, vous pouvez fabriquer un capteur et une horloge plus précis. »
La preuve de concept des chercheurs a démontré que leur minuscule PICMOT était capable de piéger plus d’un million d’atomes de vapeur de rubidium à l’intérieur de la cellule à vide et de les refroidir à 250 microkelvins (soit environ -460 °F ou -273 °C). Selon M. Blumenthal, plus le nombre d’atomes piégés et refroidis est élevé, plus la mesure obtenue pour ces expériences sur les atomes neutres est précise.
« Des atomes plus froids et plus nombreux sont synonymes de meilleure précision et de plus grande sensibilité », observe M. Blumenthal. « En effet, la mesure est calculée en moyenne sur un plus grand nombre de capteurs. »
En 2024, le laboratoire de M. Blumenthal a annoncé une nouvelle avancée : l’intégration d’un laser 780 nm à largeur de raie ultra-faible et à auto-injection verrouillée sur une puce en nitrure de silicium. En utilisant une diode laser Fabry-Pérot courante et disponible dans le commerce comme source lumineuse, l’équipe a pu « nettoyer », « calmer » et régler le laser à la fréquence souhaitée à l’aide de composants photoniques qu’elle avait développés, notamment des résonateurs à facteur de qualité ultra élevé et des guides d’ondes à très faible perte.
En nettoyant le « bruit » spectral qui accompagne le laser acheté dans le commerce, explique M. Blumenthal, il devient possible d’utiliser la lumière pour des applications quantiques. La largeur de raie étroite, précise-t-il, signifie que la lumière émise est à une seule fréquence et qu’elle est également suffisamment stable pour surmonter les bruits et vibrations internes et externes.
« Le bruit et une largeur de raie importante limiteraient la sensibilité du capteur, la vitesse de l’ordinateur quantique ou la stabilité de l’horloge atomique », a-t-il ajouté. « Un laser à faible bruit et à largeur de raie étroite entre en jeu lorsque vous souhaitez effectuer un travail de précision. D’autres fonctions, telles que le refroidissement, ne nécessitent pas ce laser de précision, mais certaines fonctions quantiques en ont besoin. »
En effet, selon Andrei Isichenko, membre du laboratoire Blumenthal, le laser photonique intégré qui en résulte est comparable à ceux des configurations conventionnelles.
« À certains égards, les performances sont améliorées par rapport aux lasers conventionnels grâce à l’intégration complète à l’échelle de la puce », a-t-il commenté. La forme compacte permet un retour d’information plus rapide, ce qui supprime le bruit et conduit à un signal plus robuste. Les fibres optiques accumulent également moins de fluctuations aléatoires que leurs homologues en espace libre, ce qui renforce la stabilité du signal sur la puce.
Tout rassembler
Une grande partie de l’infrastructure de la table optique permettant de générer, déplacer et contrôler la lumière étant miniaturisée, ce n’est qu’une question de temps avant que tous ces minuscules composants MOT 3D, y compris les lasers et la cavité de référence, soient intégrés sur une seule puce. Dans un article publié dans la revue Optica, les chercheurs s’appuient sur leur expérience pour rendre compte des progrès réalisés et discuter des voies possibles vers l’intégration.
« Nous en sommes là pour le moteur photonique des atomes neutres », a commenté M. Blumenthal, en référence aux lasers, aux composants optiques et au contrôle et à la transmission de la lumière. Pour les systèmes basés sur des ions piégés (des atomes avec un nombre inégal de protons et d’électrons), ils « se dirigent vers ce moteur ».
Quant au « paquet physique », qui contient la cellule à vide et les atomes à refroidir et à piéger, les chercheurs continuent d’expérimenter la manière de mettre en œuvre les conditions idéales sur la puce, mais ils s’en approchent, a déclaré M. Blumenthal, expliquant que lorsqu’il s’agit de piéger des atomes neutres, plus il y en a, mieux c’est. Il existe toutefois d’autres façons d’utiliser les atomes pour ces applications qui utilisent des ions piégés, qui ne nécessitent généralement que quelques atomes dans une configuration bidimensionnelle. Il s’agit là d’un autre domaine qui suscite un vif intérêt et fait l’objet d’efforts intenses de la part du groupe de M. Blumenthal.
« Pour le module physique à ions piégés, le piège sera intégré à la puce cette année », a-t-il indiqué. « Nous sommes encore loin de pouvoir transférer le module physique qui contient les atomes neutres sur une puce, et nous collaborons avec l’UMASS Amherst à ce sujet. » En fait, M. Blumenthal et son collaborateur Robert Niffenegger de l’UMASS ont utilisé des lasers intégrés pour créer pour la première fois des qubits quantiques avec des ions piégés.
« La création d’un qubit à ions piégés avec un laser intégré dans la plateforme en nitrure de silicium à très faible perte est une étape importante », a conclu Blumenthal, « qui ouvre la voie à l’intégration complète du piège, des lasers et de l’optique, ainsi qu’à la création d’un ordinateur quantique et de capteurs quantiques compacts à ions piégés. »
Article : « Enabling photonic integrated 3D magneto-optical traps for quantum sciences and applications » – DOI : 10.1364/OPTICAQ.532260
Source : UC Santa Barbara
