Une équipe de chercheurs français a mis au point le premier capteur inertiel quantique hybride tridirectionnel, capable de mesurer l’accélération sans utiliser de signaux satellites. Au cœur de cet appareil révolutionnaire se trouve ce qu’on appelle « l’interférométrie des ondes de matière », qui utilise deux caractéristiques distinctes de la mécanique quantique : la dualité onde-particule et la superposition.
Dans le nuage
L’appareil se compose d’un nuage d’atomes de rubidium qui sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Les atomes sont placés dans le vide et sont en chute libre à cause de la gravité.
Une fois refroidis, une série de trois flashs laser sont projetés sur les atomes, créant des ondes de matière dans les atomes de rubidium. Selon les lois de la mécanique quantique, à des températures extrêmement basses, les atomes ne se comportent pas comme des particules standard. Ils se comportent également comme des ondes qui peuvent subir une diffraction et des interférences comme le fait la lumière.
Une fois que le faisceau laser frappe les atomes, ils subissent d’abord des changements dans leurs états énergétiques.
« Selon la mécanique quantique, vous pouvez décrire l’atome [as] étant à la fois dans un état fondamental et un état excité simultanément. En d’autres termes, l’atome a absorbé de la lumière et n’a pas absorbé de lumière en même temps. Cet état étrange s’appelle la superposition quantique », a déclaré Philippe Bouyer, professeur à l’Institut d’Optique et coordinateur du programme de détection quantique Quantum Delta NL.
Un atome de rubidium dans cet état peut donc être décrit comme deux ondes de matière allant dans des directions différentes. « L’un est l’état où l’atome suit sa trajectoire comme s’il n’interagissait jamais avec la lumière tandis que l’autre onde suit une trajectoire comme si elle était poussée par la lumière », a déclaré Bouyer, co-auteur de l’article.
Une deuxième impulsion laser, envoyée en succession rapide, inverse les deux états, tandis qu’une troisième impulsion assure que les chemins se chevauchent, permettant l’interférence. Ce processus est répété trois fois successivement, le faisceau laser étant aligné à chaque fois sur un axe d’orientation différent.
Au fur et à mesure que l’appareil change d’impulsion, il y a un changement dans les franges d’interférence. Ceci est mesuré par rapport à une référence, dans ce cas, un miroir rétro-réfléchissant qui réfléchit le faisceau laser de la source laser sur les atomes de rubidium.
« Le miroir, un sur chaque axe, vous indique où se trouve le laser. Étant donné que les atomes tombent constamment à cause de la gravité, ce que nous mesurons est l’accélération relative entre les miroirs et les atomes », a déclaré Bouyer.
Haute précision
Le capteur inertiel quantique ne nécessite aucun étalonnage, car les niveaux d’énergie des atomes, la fréquence de la lumière et l’impulsion photonique à laquelle elle correspond sont connus à l’avance. Outre le temps nécessaire pour que l’interférence se produise et la fréquence du laser, l’accélération peut être calculée à l’aide d’équations mécaniques.
De plus, à des températures proches du zéro absolu, le mouvement des atomes peut être contrôlé avec une précision d’un centimètre par seconde au lieu de 500 mètres par seconde à température ambiante, ce qui permet de détecter de petits changements de vitesse.
Cependant, le capteur a un inconvénient : il ne peut pas prendre de mesures en continu. « Il faut du temps pour faire de très bonnes mesures. Par exemple, lors de la mesure d’une frange d’interférence qui peut prendre 100 millisecondes, s’il y a des changements de vitesse pendant ce temps, il n’y a aucun moyen de le savoir », a-t-il déclaré.
Bouyer et son équipe ont trouvé un moyen de contourner ce problème en intégrant les capteurs quantiques aux accéléromètres classiques. « Nous utilisons la mesure quantique pour corriger in situ la mesure imparfaite de l’accéléromètre classique. La sortie est ce signal corrigé », a déclaré le co-auteur Baptiste Battelier.
Battelier a ajouté que le nouveau capteur émet un signal stable avec une précision 50 fois supérieure à celle des accéléromètres classiques. C’est la raison pour laquelle le capteur hybride ne nécessite pas de correction de polarisation via des signaux externes fournis par des satellites. Ne vous attendez pas à ce que ces éléments apparaissent bientôt sur votre téléphone. Tout le matériel nécessite environ un mètre cube d’espace, et les chercheurs estiment que les coûts seront de l’ordre de plusieurs centaines de milliers de dollars.
« Le plus grand avantage d’un tel capteur, qui peut être utilisé dans les sous-marins, les avions et les bateaux, est la confidentialité et l’autonomie », a déclaré Battelier.
Dhananjay Khadilkar est un journaliste basé à Paris.