décembre 5, 2022

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Le nouvel accéléromètre quantique 3D est 50 fois plus précis que les capteurs classiques

À la plus petite échelle, notre univers devient bizarre. Des molécules telles que des boules de billard ou des vagues agissent sur l’eau, selon la façon dont elles sont examinées. Les caractéristiques ne peuvent pas être mesurées simultanément ou ont tendance à se déformer de manière incertaine sur une plage de valeurs. Nous avons échoué l’intuition humaine.

Pendant la majeure partie du siècle dernier, toute cette bizarrerie a été principalement l’apanage des physiciens. Mais plus récemment, la théorie et l’empirisme ont viré vers la pratique. Cette tendance est plus évidente dans le zoo en pleine croissance Les premiers ordinateurs quantiques, mais un comportement quantique étrange est utile pour plus que le calcul. Certains scientifiques et ingénieurs construisent Les réseaux de communication quantiques sont impénétrables; D’autres fixent leurs yeux sur les capteurs.

Récemment Article prépresse publié sur arXivUne équipe du Centre national français de la recherche scientifique a décrit un accéléromètre quantique qui utilise un laser et des atomes de rubidium ultra-froids pour mesurer le mouvement dans les trois dimensions avec une extrême précision.

Les travaux étendent les accéléromètres quantiques à la troisième dimension et pourraient 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’allumera. Tournez-le sur le côté et la page que vous lisez change de direction. Un petit accéléromètre mécanique – essentiellement une masse attachée à un mécanisme semblable à un ressort – rend ces actions possibles (ainsi que d’autres capteurs, tels que des gyroscopes). Lorsque le téléphone se déplace dans l’espace, son accéléromètre suit ce mouvement. Cela inclut de courtes périodes de temps où le GPS chute, comme dans les tunnels ou les zones mortes du signal cellulaire.

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Bien qu’utiles, les accéléromètres mécaniques ont tendance à déraper. S’il est laissé assez longtemps, les erreurs s’accumuleront sur l’échelle kilométrique. Ce n’est pas critique pour les téléphones qui ne fonctionnent pas pendant un certain temps avec le GPS, mais c’est un problème lorsque les appareils sont hors de portée pendant de longues périodes. Et pour les applications industrielles et militaires, un suivi de localisation précis serait utile sur les sous-marins – qui n’ont pas accès au GPS sous-marin – ou comme navigation de secours sur les navires au cas où ils perdraient leur GPS.

Les chercheurs ont toujours amélioré accéléromètres quantiques Pour améliorer la précision du suivi de position. Au lieu de mesurer la masse de la pression d’un ressort, les accéléromètres quantiques mesurent les propriétés ondulatoires du matériau. Les appareils utilisent des lasers pour ralentir et refroidir la traînée des atomes. Dans ce cas, les atomes se comportent comme des ondes lumineuses, créant des motifs d’interférence lorsqu’ils se déplacent. Plus de lasers stimulent 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 tendus sur des paillasses de laboratoire et ne pouvaient mesurer qu’une seule dimension. Mais à mesure que les lasers et l’expérience ont progressé, ils sont devenus plus petits et plus résistants – et maintenant ils sont en 3D.

Mise à niveau quantique

Le nouvel accéléromètre quantique 3D, développé par l’équipe en France, ressemble à Boîte en métal de la longueur d’un ordinateur portable. Un laser est utilisé le long des trois axes spatiaux pour manipuler et mesurer un nuage d’atomes de rubidium confinés dans une petite boîte en verre et refroidis presque au zéro absolu. Comme les accéléromètres quantiques précédents, ces lasers créent des ondulations dans le nuage d’atomes et interprètent les modèles d’interférence résultants pour mesurer le mouvement.

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Pour améliorer la stabilité et la bande passante – les exigences pour une utilisation en dehors du laboratoire – le nouvel appareil combine les lectures des accéléromètres classiques et quantiques dans une boucle de rétroaction qui renforce les points forts des deux technologies.

Parce que l’équipe peut contrôler les atomes avec une telle précision, elle peut effectuer des mesures tout aussi précises. Pour tester l’accéléromètre, ils l’ont installé sur un banc configuré pour vibrer et tourner et ont constaté que le système était 50 fois plus précis que les capteurs de navigation classiques. Sur une période de plusieurs heures, la position de l’appareil mesurée par un accéléromètre classique s’est décalée de 1 km ; L’accéléromètre quantique l’a installé à une distance de 20 mètres.

faisceau rétractable

L’accéléromètre, qui est encore relativement gros et lourd, ne sera pas prêt pour l’iPhone de sitôt. L’équipe dit que cela l’a rendu un peu plus petit et plus puissant, et qu’il pourrait être installé sur des navires ou des sous-marins pour une navigation précise. Ou il peut se retrouver entre les mains de géologues de terrain qui traquent les gisements minéraux en mesurant les changements subtils de la gravité.

D’autres groupes travaillent également sur la miniaturisation et le renforcement des capteurs quantiques sur le terrain. Une équipe du Sandia National Laboratory a récemment intégré un interféromètre à atomes froids, comme celui utilisé ici, dans un appareil Emballage durable 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 est susceptible d’être entraînée par les progrès de la Puces photoniques. À l’avenir, disent-ils, les composants optiques nécessaires à un interféromètre à atomes froids comme le leur pourraient s’adapter à une puce de seulement huit millimètres d’un côté.

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plus de capteurs quantiques, comme des gyroscopesVous pouvez rejoindre la fête. Bien qu’ils aient également besoin de quelques cycles de rétrécissement et de resserrement avant de s’échapper du laboratoire.

Pour l’instant, le passage à la 3D est un pas en avant.

« La mesure en trois dimensions est un gros problème, et une étape technique nécessaire et excellente vers toute utilisation pratique des accéléromètres quantiques », a récemment déclaré John Close de l’Université nationale australienne. Raconter nouveau monde.

Crédit 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)