Des scientifiques quantiques de l'UC Santa Barbara mèneront une NSF

Aux échelles atomique et subatomique, il existe des comportements qui ont un vaste potentiel pour améliorer la façon dont nous voyons et interagissons avec le monde, en améliorant les technologies actuelles et en en donnant potentiellement de nouvelles. Le principal avantage du domaine de la détection quantique est son extrême sensibilité et sa précision, capable de capturer le signal le plus faible et de mesurer à la plus petite des échelles.

Aujourd'hui, plusieurs chercheurs de l'UC Santa Barbara sont sur le point de déployer leur expertise en science quantique dans le cadre du programme Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems (QuSeC-TAQS) de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis. Ils rejoignent une cohorte de 18 équipes de recherche dans des universités américaines, soutenues par un investissement de 29 millions de dollars de la NSF, pour explorer les moyens d'exploiter les propriétés infinitésimales et parfois contre-intuitives de la nature à l'échelle quantique afin de créer des opportunités à l'échelle humaine.

Les équipes recevront chacune entre 1 et 2 millions de dollars sur quatre ans pour mener un large éventail d'activités de recherche exploratoire. Les impacts potentiels sont divers, depuis la capacité de détecter les ondes gravitationnelles lorsqu’elles se propagent dans l’espace jusqu’à la possibilité d’observer les fonctions internes des cellules vivantes.

"Pendant des décennies, l'exploration scientifique à l'échelle quantique a donné lieu à des découvertes surprenantes sur le fonctionnement de notre univers et à des possibilités alléchantes pour les technologies quantiques", a déclaré Sethuraman Panchanathan, directeur de la NSF. « Nous franchissons désormais une nouvelle étape dans la recherche quantique grâce à ces projets et à d’autres, qui combinent la recherche fondamentale avec des applications potentielles susceptibles d’avoir un impact positif sur nos vies, notre prospérité économique et notre compétitivité en tant que nation. »

Un magnétomètre optique amélioré quantique : Galan Moody et Paolo Pintus

Comme son nom l'indique, un magnétomètre mesure un champ magnétique et fournit ainsi des informations importantes sur les cibles en relation avec ce champ. Une boussole est un appareil simple, révélant des informations sur la direction d'une personne par rapport au champ magnétique terrestre. Les scientifiques continuent d’exploiter la puissance élégante de cette technologie dans une liste croissante d’applications, de l’archéologie à l’exploration spatiale.

Le professeur de génie électrique et informatique Galan Moody et le scientifique Paolo Pintus visent à apporter la haute précision de la détection quantique à la magnétométrie et à tout intégrer sur une puce. Pensez à LIGO, l'interféromètre laser qui a détecté en 2015 la moindre ondulation générée par les ondes gravitationnelles provenant de 1,3 milliard d'années-lumière. L’équipe construira une expérience interférométrique analogue sur une puce semi-conductrice qui, plutôt que les ondes gravitationnelles, pourra détecter les moindres variations des champs magnétiques.

"Au lieu de détecteurs à l'échelle kilométrique, nous disposons de détecteurs à l'échelle millimétrique", a déclaré Pintus, spécialisé dans l'optique intégrée. L'interféromètre magnéto-optique intégré photonique proposé serait d'une sensibilité sans précédent - une amélioration de 10 fois au-delà de la limite quantique standard - intégré dans un dispositif compact et économe en énergie qui peut être utilisé pour détecter des champs magnétiques infimes avec des applications pour la navigation, les géosciences et la biomédecine, ainsi que l'exploration spatiale.

La clé de ce nouveau dispositif à faible SWaP (taille, poids et puissance) réside dans l’utilisation de la lumière quantique. "Nous pouvons nous appuyer sur des décennies de recherche et de développement pour fabriquer des capteurs magnéto-optiques qui ne nécessitent aucun autre instrument encombrant, ce qui les rend compacts et portables", a déclaré Moody, dont l'expertise réside dans la photonique quantique. « Habituellement, ces capteurs sont alimentés par des lasers, mais leur sensibilité est limitée. Au lieu de cela, en utilisant la lumière comprimée – un type spécial de source de lumière quantique moins bruyante qu’un laser – nous pouvons dépasser cette limite.

L'utilisation de la lumière comprimée permet des mesures très précises de la phase des ondes lumineuses par rapport à la cible tout en réduisant le bruit qui pourrait facilement masquer les mesures de haute précision.