Des capteurs inertiels à atomes froids sur puce
Les capteurs développés par le laboratoire Systèmes de référence temps-espace permettent de créer des équipements de navigation inertielle autonomes très stables, sans référence à un système mondial de satellites du type GPS. Les applications concernent les secteurs civils et de défense.
La navigation inertielle par centrale autonome détermine le mouvement d'un véhicule en mesurant les accélérations et les vitesses de rotation auxquelles il est soumis, sans avoir besoin d'une référence extérieure comme le système GPS de positionnement par satellite. Le laboratoire Systèmes de référence temps-espace1 est pionnier dans le développement de capteurs inertiels à atomes froids, une technologie quantique qui permettra de réaliser des systèmes de guidage d'une très grande stabilité.
Après des années de développement, la technologie du laboratoire Syrte franchit une nouvelle étape avec le projet européen QuantaQuest, dont l'objectif est de mettre des technologies quantiques au service des applications de défense. Dans le cadre de QuantaQuest, les chercheurs vont travailler à l'intégration de capteurs inertiels à atomes froids sur une puce2 pour une application embarquée.
Les capteurs inertiels à atomes froids sont basés sur l'interférométrie atomique. À l'image des interférences réalisées entre deux ondes optiques, il est possible de créer des interférences entre des ondes de matière. C'est ce qui est obtenu dans un capteur inertiel à atomes froids, à partir d'un nuage d'atomes de rubidium (ou de césium) refroidis par laser3 , en chute libre dans une chambre à vide. Ce dispositif est sensible aux accélérations linéaires et vitesses de rotation, et permet donc de concevoir une centrale de navigation inertielle.
Le principe du capteur inertiel à atomes froids a été validé et optimisé au laboratoire, et valorisé via la société Muquans. Les chercheurs ambitionnent maintenant d’en faire un système utilisable de manière opérationnelle pour la navigation, ce qui demande de l’intégrer sur une puce. Cette étude est menée en collaboration avec Thales Research and Technologies qui coordonne le projet QuantaQuest. Le laboratoire Syrte et Thales Research and Technologies coopèrent également sur ce thème au sein du projet ANR-Astrid Maturation4 Niarcos (pour « Navigation Inertielle avec atomes froids confinés »).
« Les défis sont nombreux, car les capteurs inertiels intégrés doivent répondre à de multiples contraintes : encombrement et poids limités, faible consommation d'énergie, résistance aux environnements sévères... tout en assurant le piégeage des atomes froids sans détruire leurs caractéristiques quantiques », indique Carlos Garrido Alzar, chercheur responsable scientifique du projet au laboratoire Syrte.
Les architectures de capteurs seront évaluées par modélisation et simulation avant d'être testées, et leurs performances seront validées avec une puce prototype. En fin de projet, la réalisation d'un démonstrateur devrait permettre d'effectuer des essais sur une application de terrain.
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- 1CNRS/Sorbonne Université/ Observatoire de Paris
- 2L'équipe du Syrte va également participer à l'autre volet du projet QuantaQuest, qui concerne les communications quantiques. Les autres partenaires du projet sont le Laboratoire Européen de Spectroscopie Non linéaire, Leonardo SA, Lionix International BV, Quix BV, Telespazio SA, Thales Alenia Space France SAS, et l'université de Padova.
- 3Le laser est utilisé ici pour ralentir l'agitation thermique des atomes, et donc les refroidir. Ce dispositif permet de préparer des états quantiques bien définis, et par conséquent de développer des capteurs très sensibles.
- 4L’appel à projets Astrid Maturation, « Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation défense : Maturation et valorisation » est financé par l’Agence de l’innovation de défense (AID) et hébergé à l’Agence nationale de la recherche (ANR) qui assure sa mise en œuvre.