Des capteurs quantiques ultra-sensibles à base d'atomes froids pour faire avancer la géophysique et l'informatique
Les atomes froids ne sont pas encore utilisés dans la pratique. Le projet ISENSE, financé par l'UE, vise à franchir le pas grâce à de nouvelles techniques intégrées dans un seul système, et à effectuer la démonstration d'un capteur quantique à base d'atomes froids. Les capteurs quantiques utilisent des effets quantiques comme la superposition pour atteindre une très haute sensibilité (dépassant celle des dispositifs classiques). En cas de superposition, un atome peut être simultanément dans deux états d'énergie, ce qui revient à dire qu'il se déplace selon deux chemins de hauteur différente, permettant aux scientifiques de réaliser des détecteurs de gravité (des accéléromètres) ultra-sensibles. Les dispositifs utilisant des atomes froids peuvent utiliser des techniques d'interaction entre la lumière et la matière pour atteindre le maximum de contrôle sur la position, la vitesse et les états internes des atomes. «Lorsque les atomes sont refroidis à un millionième de degré au-dessus du zéro absolu, ils deviennent des particules idéales pour réaliser des détecteurs quantiques. On a ainsi pu mesurer en laboratoire le temps, la gravité, des rotations et des champs magnétiques, avec une sensibilité inégalée», explique le professeur Kai Bongs de l'université de Birmingham au Royaume-Uni, et coordinateur du projet ISENSE. «Le système d'iSense ouvre la possibilité d'un accéléromètre mobile et absolu, plus sensible». Si les atomes sont refroidis encore plus, ils deviennent un gaz quantique dégénéré qui pourrait servir en informatique quantique. Cette technique a déjà été réalisée, mais ISENSE va un cran plus loin en intégrant dans un seul système mobile tous les composants nécessaires à un détecteur quantique utilisant des atomes froids. «Il s'agit d'une étape majeure pour traduire les travaux scientifiques en technique commerciale susceptible d'avoir un impact sur la vie de tous les jours», ajoute le Dr Bongs. ISENSE a mis au point son détecteur quantique à atome froids en faisant appel à des lasers, au transport optique, au contrôle électronique, et à des techniques de réalisation de puces atomiques basse puissance et sous vide. Le résultat est un accéléromètre intégré, capable de démontrer la fonctionnalité des techniques utilisées. Une transition vers la commercialisation Le projet ISENSE a conduit à Bruxelles des démonstrations de son capteur quantique, élargissant ainsi l'intérêt des entreprises pour les techniques quantiques. «Les entreprises ont vu qu'il y avait une réelle opportunité pratique. À ce jour, plus de 70 entreprises soutiennent le UK National Quantum Technology Hub in Sensors and Metrology, qui se charge des étapes suivantes de développement de nos solutions», explique le Dr Bongs. Lorsqu'il sera commercialisé, cet accéléromètre ultra-sensible pourrait révolutionner des travaux de géophysique comme la cartographie des eaux souterraines, l'évaluation de l'activité sismique et volcanique, la recherche de cavités sous les sites de construction, et le repérage de canalisations enterrées. Actuellement, ces activités exigent des excavations qui coûtent chaque année des milliards d'euros à l'UE. Le système mis au point par ISENSE peut être utilisé avec n'importe quel dispositif quantique à atomes froids, par exemple des capteurs, des simulateurs et des mémoires (pour les communications et les ordinateurs quantiques). Les produits les plus proches de la commercialisation sont les capteurs quantiques, en particulier pour l'accélération, la durée, la rotation et les champs magnétiques.
Mots‑clés
Capteurs quantiques, atomes froids, technologies quantiques, géophysique, gravité, détection
