Une étape importante dans la détection quantique se rapproche d’une navigation extrêmement précise et sans GPS
Démontez un smartphone, un tracker d’activité ou un casque de réalité virtuelle et vous découvrirez à l’intérieur un minuscule capteur de mouvement qui suit sa position et ses mouvements. Des versions plus grandes et plus chères de la même technologie, de la taille d’un pamplemousse et mille fois plus précises, aident à naviguer dans les navires, les avions et d’autres véhicules grâce à l’assistance GPS.
Aujourd’hui, les scientifiques tentent de créer un capteur de mouvement si précis qu’il pourrait réduire la dépendance du pays aux satellites de positionnement global. Jusqu’à récemment, un tel capteur, mille fois plus sensible que les appareils de navigation actuels, aurait rempli un camion en mouvement. Mais les progrès technologiques réduisent considérablement la taille et le coût de cette technologie.
Pour la première fois, des chercheurs des laboratoires nationaux de Sandia ont utilisé des composants de micropuces photoniques en silicium pour mettre en œuvre une technique de détection quantique appelée interférométrie atomique, une méthode ultra-précise de mesure de l’accélération. Il s’agit de la dernière étape en date vers le développement d’une sorte de boussole quantique pour la navigation lorsque les signaux GPS ne sont pas disponibles.
L’équipe a publié ses conclusions et présenté un nouveau modulateur photonique en silicium haute performance, un dispositif qui contrôle la lumière sur une micropuce, comme article de couverture de la revue. Progrès scientifiques.
Les recherches ont été financées par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia. Elles ont eu lieu, en partie, au National Security Photonics Center, un centre de recherche collaborative qui développe des solutions photoniques intégrées pour des problèmes complexes dans le secteur de la sécurité nationale.
La navigation sans GPS : une question de sécurité nationale
« La navigation précise devient un défi dans les scénarios du monde réel lorsque les signaux GPS ne sont pas disponibles », a déclaré Jongmin Lee, scientifique de Sandia.
Dans une zone de guerre, ces défis posent des risques pour la sécurité nationale, car les unités de guerre électronique peuvent brouiller ou falsifier les signaux satellites pour perturber les mouvements et les opérations des troupes.
La détection quantique offre une solution.
« En exploitant les principes de la mécanique quantique, ces capteurs avancés offrent une précision inégalée dans la mesure de l’accélération et de la vitesse angulaire, permettant une navigation précise même dans les zones sans GPS », a déclaré Lee.
Le modulateur, pièce maîtresse d’un système laser à l’échelle d’une puce
En règle générale, un interféromètre atomique est un système de capteurs qui remplit une petite pièce. Une boussole quantique complète, plus précisément appelée unité de mesure inertielle quantique, nécessiterait six interféromètres atomiques.
Mais Lee et son équipe ont trouvé des moyens de réduire la taille, le poids et les besoins en énergie de l’appareil. Ils ont déjà remplacé une pompe à vide volumineuse et gourmande en énergie par une chambre à vide de la taille d’un avocat et ont regroupé plusieurs composants habituellement délicatement disposés sur une table optique en un seul appareil rigide.
Le nouveau modulateur est la pièce maîtresse d’un système laser sur puce électronique. Suffisamment robuste pour supporter de fortes vibrations, il remplacerait un système laser conventionnel de la taille d’un réfrigérateur.
Les lasers effectuent plusieurs tâches dans un interféromètre atomique, et l’équipe Sandia utilise quatre modulateurs pour décaler la fréquence d’un seul laser afin d’effectuer différentes fonctions.
Cependant, les modulateurs créent souvent des échos indésirables appelés bandes latérales qui doivent être atténués.
Le modulateur à bande latérale unique à porteuse supprimée de Sandia réduit ces bandes latérales d’un niveau sans précédent de 47,8 décibels (une mesure souvent utilisée pour décrire l’intensité sonore mais également applicable à l’intensité lumineuse), ce qui entraîne une baisse de près de 100 000 fois.
« Nous avons considérablement amélioré les performances par rapport à ce qui existe déjà », a déclaré Ashok Kodigala, scientifique de Sandia.
Dispositif en silicium pouvant être produit en masse et plus abordable
Outre la taille, le coût constitue un obstacle majeur au déploiement des dispositifs de navigation quantique. Chaque interféromètre atomique nécessite un système laser, et les systèmes laser nécessitent des modulateurs.
« Un seul modulateur à bande latérale unique de taille standard, disponible dans le commerce, coûte plus de 10 000 dollars », a déclaré Lee.
La miniaturisation de composants volumineux et coûteux dans des puces photoniques en silicium permet de réduire ces coûts.
« Nous pouvons fabriquer des centaines de modulateurs sur une seule plaquette de 8 pouces et encore plus sur une plaquette de 12 pouces », a déclaré Kodigala.
Et comme ils peuvent être fabriqués en utilisant le même processus que pratiquement toutes les puces informatiques, « ce composant sophistiqué à quatre canaux, comprenant des fonctionnalités personnalisées supplémentaires, peut être produit en masse à un coût bien inférieur par rapport aux alternatives commerciales actuelles, permettant la production d’unités de mesure inertielle quantique à un coût réduit », a déclaré Lee.
Alors que la technologie se rapproche du déploiement sur le terrain, l’équipe explore d’autres utilisations au-delà de la navigation. Les chercheurs cherchent à savoir si elle pourrait aider à localiser des cavités et des ressources souterraines en détectant les minuscules changements que ces dernières provoquent sur la force gravitationnelle de la Terre. Ils voient également un potentiel pour les composants optiques qu’ils ont inventés, notamment le modulateur, dans le LIDAR, l’informatique quantique et les communications optiques.
« Je pense que c’est vraiment passionnant », a déclaré Kodigala. « Nous faisons de grands progrès en matière de miniaturisation pour de nombreuses applications différentes. »
Une équipe multidisciplinaire transforme le concept de boussole quantique en réalité
Lee et Kodigala forment les deux moitiés d’une équipe multidisciplinaire. La première moitié, dont fait partie Lee, est composée d’experts en mécanique quantique et en physique atomique. L’autre moitié, comme Kodigala, est composée de spécialistes de la photonique sur silicium : imaginez une puce électronique, mais au lieu d’être parcourue par de l’électricité, elle est parcourue par des faisceaux lumineux.
Ces équipes collaborent au sein du complexe d’ingénierie, de science et d’applications des microsystèmes de Sandia, où les chercheurs conçoivent, produisent et testent des puces pour des applications de sécurité nationale.
« Nous avons des collègues avec qui nous pouvons aller dans le couloir et discuter de cela et déterminer comment résoudre ces problèmes clés pour que cette technologie soit mise en œuvre sur le terrain », a déclaré Peter Schwindt, un scientifique spécialisé dans la détection quantique chez Sandia.
Le grand projet de l’équipe, qui consiste à transformer des interféromètres atomiques en une boussole quantique compacte, comble le fossé entre la recherche fondamentale dans les institutions universitaires et le développement commercial dans les entreprises technologiques. Un interféromètre atomique est une technologie éprouvée qui pourrait être un excellent outil pour la navigation sans GPS. Les efforts continus de Sandia visent à le rendre plus stable, plus utilisable et plus viable commercialement.
Le National Security Photonics Center collabore avec l’industrie, les petites entreprises, le monde universitaire et les agences gouvernementales pour développer de nouvelles technologies et aider au lancement de nouveaux produits. Sandia a délivré des centaines de brevets et des dizaines d’autres en cours de traitement qui soutiennent sa mission.
« J’ai une passion pour l’idée de voir ces technologies évoluer vers des applications réelles », a déclaré Schwindt.
Michael Gehl, un scientifique de Sandia qui travaille sur la photonique sur silicium, partage la même passion. « C’est formidable de voir nos puces photoniques utilisées pour des applications concrètes », a-t-il déclaré.
Plus d’informations :
Ashok Kodigala et al, Modulateurs photoniques à bande latérale unique en silicium haute performance pour l’interférométrie à atomes froids, Progrès scientifiques (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ade4454
Fourni par les laboratoires nationaux Sandia
Citation:Une étape importante dans la détection quantique se rapproche d’une navigation extrêmement précise et sans GPS (2024, 13 août) récupéré le 13 août 2024 à partir de
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