Aux plus petites échelles, notre univers devient bizarre. Les particules agissent comme des boules de billard ou des vagues sur l’eau, selon la façon dont vous les sondez. Les propriétés ne peuvent pas être mesurées simultanément ou ont tendance à s’étaler de manière incertaine sur une plage de valeurs. L’intuition humaine nous fait défaut.
Pendant une grande partie du siècle dernier, toute cette étrangeté était principalement le domaine des physiciens. Mais plus récemment, le théorique et l’expérimental se sont rapprochés du pratique. Cette tendance est plus visible dans la ménagerie croissante de premiers ordinateurs quantiques, mais le comportement quantique bizarre est utile pour plus que le calcul. Certains scientifiques et ingénieurs construisent réseaux de communication quantiques impossibles à pirater; d’autres ont les yeux rivés sur les capteurs.
Dans un récent article pré-imprimé publié sur l’arXivune équipe du Centre national français de la recherche scientifique décrivent un accéléromètre quantique qui utilise des lasers et des atomes de rubidium ultra-froids pour mesurer le mouvement dans les trois dimensions avec une extrême précision.
Le travail étend les accéléromètres quantiques dans la troisième dimension et pourrait apporter une navigation précise sans GPS et une détection fiable des gisements minéraux précieux sous les pieds.
Ondes atomiques
Nous comptons déjà quotidiennement sur les accéléromètres. Décrochez un téléphone et l’écran s’allume. Tournez-le sur le côté et la page que vous lisez change d’orientation. Un minuscule accéléromètre mécanique – essentiellement une masse attachée à un mécanisme semblable à un ressort – rend ces actions possibles (aux côtés d’autres capteurs, comme les gyroscopes). Chaque fois qu’un téléphone se déplace dans l’espace, son accéléromètre suit ce mouvement. Cela inclut de courtes périodes de temps lorsque le GPS tombe en panne, comme dans les tunnels ou les points morts du signal cellulaire.
Aussi utiles qu’ils soient, les accéléromètres mécaniques ont tendance à dériver. Laissés assez longtemps, ils accumuleront des erreurs à l’échelle des kilomètres. Ce n’est pas critique pour les téléphones brièvement hors de contact avec le GPS, mais c’est un problème lorsque les appareils voyagent hors de portée pendant de longues périodes. Et pour les applications industrielles et militaires, un suivi de position précis serait utile sur les sous-marins – qui ne peuvent pas accéder au GPS sous l’eau – ou comme navigation de secours sur les navires en cas de perte du GPS.
Les chercheurs développent depuis longtemps accéléromètres quantiques pour améliorer la précision du suivi de position. Au lieu de mesurer une masse comprimant un ressort, les accéléromètres quantiques mesurent les propriétés ondulatoires de la matière. Les appareils utilisent des lasers pour ralentir et refroidir les nuages d’atomes. Dans cet état, les atomes se comportent comme des ondes de lumière, créant des motifs d’interférence lorsqu’ils se déplacent. Plus de lasers induisent et mesurent comment ces modèles changent pour suivre l’emplacement de l’appareil dans l’espace.
Au début, ces appareils, appelés interféromètres atomiques, étaient un fouillis de fils et d’instruments s’étalant sur les paillasses de laboratoire et ne pouvaient mesurer qu’une seule dimension. Mais à mesure que les lasers et l’expertise ont progressé, ils sont devenus plus petits et plus résistants, et maintenant ils sont passés à la 3D.
Une mise à niveau quantique
Le nouvel accéléromètre quantique 3D, développé par l’équipe en France, ressemble à une boîte en métal de la longueur d’un ordinateur portable. Il utilise des lasers le long des trois axes spatiaux pour manipuler et mesurer un nuage d’atomes de rubidium piégés dans une petite boîte en verre et refroidis presque au zéro absolu. Comme les accéléromètres quantiques antérieurs, ces lasers induisent des ondulations dans le nuage d’atomes et interprètent les modèles d’interférence résultants pour mesurer le mouvement.
Pour améliorer la stabilité et la bande passante, conditions requises pour une utilisation en dehors du laboratoire, le nouvel appareil combine les lectures des accéléromètres classiques et quantiques dans une boucle de rétroaction qui exploite les points forts des deux technologies.
Parce que l’équipe peut contrôler les atomes avec une extrême précision, elle peut effectuer des mesures tout aussi précises. Pour tester l’accéléromètre, ils l’ont attaché à une table conçue pour secouer et tourner et ont découvert que le système était 50 fois plus précis que les capteurs classiques de navigation. Sur une période d’heures, la position de l’appareil mesurée par un accéléromètre classique était décalée d’un kilomètre; l’accéléromètre quantique l’a cloué à moins de 20 mètres.
Réduire le rayon
L’accéléromètre, qui est encore relativement grand et lourd, ne sera pas bientôt prêt pour votre iPhone. Mais rendu un peu plus petit et plus robuste, l’équipe dit qu’il pourrait être installé sur des navires ou des sous-marins pour une navigation précise. Ou il pourrait se retrouver entre les mains de géologues de terrain à la recherche de gisements minéraux en mesurant de subtils changements de gravité.
D’autres groupes travaillent également à miniaturiser et durcir les capteurs quantiques pour le terrain. Une équipe du Sandia National Laboratory a récemment construit un interféromètre à atomes froids, comme celui utilisé ici, dans un emballage robuste de la taille d’une boîte à chaussures. Dans un article décrivant le travail, les chercheurs de Sandia affirment que la poursuite de la miniaturisation sera probablement motivée par les progrès de puces photoniques. À l’avenir, disent-ils, les composants optiques nécessaires pour un interféromètre à atomes froids comme le leur pourraient tenir sur une puce de seulement huit millimètres de côté.
Plus de capteurs quantiques, comme des gyroscopes, peut se joindre à la fête. Bien qu’ils aient également besoin de quelques cycles de rétrécissement et de durcissement avant de s’échapper du laboratoire.
Pour l’instant, passer à la 3D est un pas en avant.
“La mesure en trois dimensions est un gros problème, une étape technique nécessaire et excellente vers toute utilisation pratique des accéléromètres quantiques”, a récemment déclaré John Close de l’Université nationale australienne. Raconté Nouveau scientifique.
Crédit d’image : des motifs d’interférence apparaissent dans un nuage d’atomes de rubidium froids piégés dans un gyroscope quantique / Institut national des normes et de la technologie (NIST)
