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Nov 11, 2023

Un quantum de détection - L'échelle atomique renforce le nouveau boom des capteurs

Imaginez des capteurs qui peuvent détecter les champs magnétiques des pensées, aider lunaire

Imaginez des capteurs capables de détecter les champs magnétiques des pensées, d'aider les rovers lunaires à détecter l'oxygène dans les roches lunaires ou d'écouter les ondes radio de la matière noire. Tout comme les ordinateurs quantiques peuvent théoriquement trouver les réponses à des problèmes qu'aucun ordinateur classique ne pourrait jamais résoudre, une génération émergente de capteurs quantiques peut également conduire à de nouveaux niveaux de sensibilité, de nouveaux types d'applications et de nouvelles opportunités pour faire progresser une gamme de domaines, technologies , et activités scientifiques.

La technologie quantique repose sur des effets quantiques qui peuvent survenir parce que l'univers peut devenir un endroit flou à ses plus petits niveaux. Par exemple, l'effet quantique connu sous le nom de superposition permet aux atomes et autres éléments constitutifs du cosmos d'exister essentiellement à deux endroits ou plus en même temps, tandis qu'un autre effet quantique connu sous le nom d'intrication peut relier les particules afin qu'elles puissent s'influencer instantanément indépendamment de à quelle distance ils sont.

Ces effets quantiques sont notoirement fragiles aux interférences extérieures. Cependant, alors que les ordinateurs quantiques s'efforcent de pallier cette faiblesse, les capteurs quantiques capitalisent sur cette vulnérabilité pour atteindre une sensibilité extraordinaire aux moindres perturbations de l'environnement. Vous trouverez ci-dessous un petit échantillon des nombreux types et variétés de capteurs quantiques développés et déployés aujourd'hui.

SCANNAGES DU CERVEAU : Les courants électriques dans le cerveau génèrent des champs magnétiques que les capteurs peuvent analyser pour analyser de manière non invasive l'activité cérébrale. Désormais, les capteurs quantiques permettent à un casque portable d'effectuer de tels balayages de magnétoencéphalographie (MEG) avec des performances et des coûts sans précédent.

Actuellement, les balayages MEG sont effectués avec des capteurs connus sous le nom de dispositifs supraconducteurs d'interférence quantique (SQUID). Ceux-ci nécessitent un refroidissement avec de l'hélium liquide coûteux jusqu'à -269 ° C, ce qui rend les scanners extrêmement volumineux. En revanche, les nouveaux appareils de la startup Cerca Magnetics à Nottingham, en Angleterre, ont chacun à peu près la taille d'une brique Lego.

Chaque appareil, appelé magnétomètre à pompage optique (OPM), contient un laser qui projette un faisceau à travers un nuage d'atomes de rubidium sur un détecteur de lumière. Le faisceau peut aligner tous les champs magnétiques des atomes de rubidium, rendant le nuage essentiellement transparent. De minuscules champs magnétiques, tels que ceux de l'activité cérébrale, peuvent perturber ces atomes, les rendant capables d'absorber la lumière, que le détecteur de lumière peut détecter, et le laser réinitialise le nuage afin qu'il puisse continuer à répondre aux perturbations magnétiques.

Le fait que ces capteurs quantiques fonctionnent à température ambiante les rend beaucoup moins encombrants que les SQUID. Cela signifie qu'ils peuvent être placés beaucoup plus près de la tête d'une personne, ce qui donne un signal au moins deux fois meilleur et théoriquement jusqu'à cinq fois meilleur, pour des images magnétiques avec une précision millimétrique et une résolution à la milliseconde des surfaces du cerveau, explique Matthew Brookes, président de Cerca et chercheur à l'Université de Nottingham.

Les casques MEG portables Cerca Magnetics peuvent être portés en toute sécurité même par un enfant actif, selon la société. Cerca Magnetics

La nature petite et légère des capteurs signifie également qu'ils peuvent être montés dans un casque portable pour permettre aux personnes de se déplacer librement pendant le balayage, au lieu de les faire rester immobiles pendant de très longues périodes comme c'est actuellement le cas. De plus, il peut s'adapter à différentes formes et tailles de tête, ce qui permet de scanner non seulement les adultes mais aussi les enfants et les bébés. De plus, "le MEG avec les OPM est en principe beaucoup moins cher qu'avec les SQUID", déclare Brookes. "Même maintenant, au début des OPM, un système d'imagerie MEG complet coûte encore la moitié du prix d'un système SQUID pour des performances similaires."

Le scanner Cerca peut aider à sonder des troubles neurologiques tels que l'épilepsie, les commotions cérébrales, la démence et la schizophrénie, « aidant à faire la lumière sur de nombreuses conditions graves et débilitantes », dit-il.

Les recherches futures peuvent viser à rapprocher ces capteurs de leurs limites théoriques de sensibilité, permettre une plus grande liberté de mouvement pour peut-être laisser les gens marcher, et ajouter la réalité virtuelle et l'apprentissage automatique pour stimuler ce que les chercheurs peuvent faire avec les scanners sur les fronts expérimental et analytique, dit Brookes.

CARTOGRAPHIE DE GRAVITÉ :Un nouveau capteur quantique qui cartographie la force du champ gravitationnel de la Terre peut aider à révéler des caractéristiques cachées sous terre.

Tout ce qui a une masse possède un champ gravitationnel. La force de l'attraction de ce champ dépend de la masse d'un corps. Étant donné que la masse de la Terre n'est pas répartie uniformément, cela signifie que la gravité de la planète est plus forte à certains endroits qu'à d'autres.

Pendant des décennies, la cartographie gravimétrique a révélé des détails sur l'activité géologique à grande échelle, mais l'utilisation d'une telle cartographie gravimétrique à l'échelle des mètres est difficile, car de longs temps de mesure sont nécessaires pour tenir compte du bruit local, comme les vibrations du trafic à proximité.

Le nouveau capteur quantique utilise des nuages ​​d'atomes de rubidium refroidis à quelques millionièmes de degré Celsius au-dessus du zéro absolu. Les impulsions laser entraînent les atomes dans des états de superposition, avec deux versions des atomes tombant sur des trajectoires légèrement différentes, et ces atomes sont ensuite recombinés. Ensuite, en raison de la dualité onde-particule - le phénomène quantique où les particules peuvent agir comme des ondes, et vice versa - ces atomes interfèrent mécaniquement quantique les uns avec les autres, leurs pics et leurs creux s'augmentant ou se supprimant. L'analyse de la nature de cette interférence, une technique connue sous le nom d'interférométrie atomique, peut révéler l'étendue des forces gravitationnelles légèrement différentes ressenties le long de leurs trajectoires séparées.

Le capteur utilise une conception de sablier, avec un nuage dans chaque moitié de l'appareil séparé verticalement de 1 mètre. En tant que tel, le capteur peut analyser la force de la gravité terrestre à deux hauteurs différentes au même endroit. En comparant les données de ces nuages, les chercheurs peuvent expliquer une variété de sources de bruit. Lors d'expériences, le capteur a pu détecter un tunnel utilitaire de 2 mètres sur 2 enfoui à environ 0,5 mètre sous une surface de route entre deux bâtiments à plusieurs étages dans la ville de Birmingham, en Angleterre.

Les applications potentielles du capteur incluent la visualisation de structures souterraines cachées, la détection de ressources naturelles souterraines, la découverte de sites archéologiques souterrains et la surveillance de l'activité volcanique et des flux d'eau souterraine.

Le capteur initial de la taille d'un réfrigérateur pesait environ 300 kilogrammes et utilisait environ 750 watts. Les scientifiques travaillent actuellement à la construction d'un capteur de la taille d'un sac à dos pesant environ 20 kg qui fonctionne sur piles, explique Michael Holynski, physicien expérimental à l'université de Birmingham, en Angleterre, et directeur de la startup Delta-G, qui commercialise le capteur. "L'objectif actuel est d'atteindre un prototype commercial d'un capteur de nouvelle génération au cours des deux prochaines années", a-t-il déclaré. "Les premiers marchés se situent autour de la barre des 100 millions de livres sterling pour les capteurs eux-mêmes. Cependant, les données qu'ils créeront sont plus précieuses et pertinentes pour les applications qui représentent quelques pour cent du PIB au Royaume-Uni"

DÉTECTER LE COVID : Un autre capteur quantique prometteur pourrait conduire à des tests plus rapides, moins chers et plus précis pour le virus SARS-CoV-2 à l'origine de la pandémie mondiale. Il repose sur des diamants artificiels microscopiques contenant des défauts, dans lesquels un atome de carbone est remplacé par un atome d'azote et l'atome de carbone adjacent est manquant. Ce défaut dans les cristaux se comporte comme un petit aimant dont l'alignement est très sensible aux champs magnétiques, aidant ces "centres de lacunes d'azote" à servir de capteurs.

La nouvelle technique consiste à recouvrir des diamants à centre vacant d'azote d'environ 25 nanomètres de large avec des composés magnétiques qui se détachent des gemmes après leur liaison avec la séquence d'ARN spécifique du virus SARS-CoV-2. Lorsque ces diamants sont éclairés par une lumière verte, ils émettent une lueur rouge. Le revêtement magnétique atténue cette lueur ; exposer les capteurs au virus peut augmenter cette lueur.

Le test de référence actuel pour le virus SARS-CoV-2 prend plusieurs heures pour créer suffisamment de copies du matériel génétique du virus à détecter. De plus, il ne peut pas quantifier la quantité de virus présente avec une grande précision et peut avoir des taux de faux négatifs de plus de 25 %. En revanche, les simulations informatiques suggèrent que le nouveau test peut théoriquement fonctionner en une seconde seulement, est suffisamment sensible pour détecter seulement quelques centaines de brins d'ARN viral et pourrait avoir des taux de faux négatifs inférieurs à 1 %.

Le capteur quantique ci-dessus pour la présence du virus SARS-CoV-2 n'utilise que des matériaux à faible coût. Les appareils pourraient être mis à l'échelle, selon les chercheurs, pour analyser un lot complet d'échantillons à la fois.MIT

Les nano-diamants et les autres matériaux utilisés dans le test sont bon marché. De plus, cette nouvelle méthode pourrait être adaptée à pratiquement tous les virus, y compris les nouveaux qui pourraient émerger, en ajustant le revêtement magnétique pour correspondre au virus cible. Ils synthétisent et testent actuellement les capteurs pour voir dans quelle mesure ils fonctionnent réellement. "Nous espérons obtenir des résultats prometteurs très bientôt", déclare le chercheur Changhao Li, ingénieur quantique au MIT.

SONDER LES CELLULES ET LES MOLÉCULES : Les capteurs à diamant quantique peuvent également être utilisés dans les thermomètres à l'intérieur des cellules. Les centres de lacune d'azote dans les diamants sont très sensibles aux petites fluctuations de température. Le physicien Peter Maurer de l'Université de Chicago et ses collègues ont injecté des diamants à l'échelle nanométrique avec de tels défauts dans des cellules vivantes et ont examiné comment les cristaux répondaient aux faisceaux laser afin de cartographier les températures à l'intérieur des cellules à quelques millièmes de degré Celsius.

"Vous pouvez imaginer utiliser de tels thermomètres à l'échelle atomique pour étudier comment la température influence la division cellulaire, l'expression des gènes et comment les molécules entrent et sortent des cellules, toutes des questions majeures en médecine et en biologie", explique le physicien expérimental David Awschalom du Laboratoire national d'Argonne et directeur du consortium Q-NEXT.

De plus, Maurer et ses collègues étudient l'utilisation de diamants avec des centres de lacune d'azote pour effectuer essentiellement des analyses IRM sur des molécules. "Avec les capteurs quantiques, vous pouvez effectuer une IRM au niveau de molécules individuelles pour comprendre la relation entre leur structure et leur fonction, ce qui pourrait radicalement améliorer notre compréhension de la médecine", explique Awschalom.

Les scientifiques ont développé une nouvelle façon d'attacher des protéines et des molécules d'ADN uniques à la surface de diamants qui hébergent des centres de lacune d'azote. En analysant les champs magnétiques de ces molécules, "vous pouvez comprendre les distances entre les atomes, la force des interactions entre eux, où ils se trouvent et ce qui les maintient ensemble", explique Awschalom.

ACCÉLÉROMÈTRE QUANTIQUE : Le monde dépend désormais fortement des systèmes mondiaux de navigation par satellite tels que le GPS, mais les liaisons par satellite qui permettent un tel positionnement, une telle navigation et une telle synchronisation ne fonctionnent pas sous terre ou sous l'eau et sont vulnérables au brouillage, à l'usurpation d'identité et aux conditions météorologiques. Désormais, un capteur quantique de l'Imperial College de Londres et de la société M Squared, basée à Glasgow, peut aider les navires à naviguer même lorsque le GPS est refusé.

Le capteur quantique est un interféromètre atomique comme le dispositif de cartographie de la gravité. L'analyse des changements de phase de ses paquets d'ondes atomiques peut révéler toute accélération ou rotation subie, que l'appareil peut utiliser pour calculer le changement de sa position dans le temps.

Cet accéléromètre quantique peut aider à servir de base à un système de navigation inertielle qui ne repose sur aucun signal extérieur. Alors que les fluctuations de température et d'autres facteurs conduisent les estimations de position des systèmes de navigation inertielle conventionnels à dériver en quelques heures sans signal de référence extérieur, l'appareil de M Squared subit une dérive négligeable même après des jours, déclare Joseph Cotter, chercheur au Centre for Cold Matter de l'Imperial College de Londres. .

"Les premiers à adopter cette technologie quantique émergente seront probablement ceux qui s'intéressent à la navigation à longue distance pour les véhicules sous-marins et de surface", déclare Cotter. "Cependant, à mesure que la technologie se développe et devient de plus en plus compacte et à moindre coût, elle aura des avantages plus larges dans l'industrie du transport grâce à son déploiement sur les navires, les trains et les avions."

Les chercheurs ont prévu des tests sur le terrain pour leur dernier appareil cet été. Actuellement, l'accéléromètre quantique "a à peu près la taille de deux machines à laver", note Cotter. "Nous travaillons pour le rendre encore plus compact."

LOGICIEL QUANTIQUE : Là où la plupart des entreprises de capteurs quantiques se concentrent sur le matériel, la startup basée à Sydney Q-CTRL se concentre sur les logiciels pour améliorer la technologie quantique. "Lorsque vous sortez des capteurs quantiques d'environnements de laboratoire vierges sur le terrain, vous constatez souvent une énorme dégradation des performances due au bruit dans les plates-formes", déclare Michael Biercuk, PDG et fondateur de Q-CTRL. "Notre objectif est de retrouver cette performance avec notre logiciel de contrôle quantique."

Par exemple, de nombreux capteurs quantiques utilisent des lasers pour balayer les atomes froids afin de détecter tout changement dans l'environnement, mais tout mouvement dans l'appareil peut amener les atomes à sortir des faisceaux laser. "Avec notre logiciel, nous pouvons façonner l'impulsion de la lumière - sa fréquence, son amplitude, sa phase - pour la rendre plus résistante au mouvement sans aucune modification du matériel lui-même", explique Biercuk.

Q-CTRL s'associe à la société de navigation inertielle Advanced Navigation basée à Sydney pour développer un système de navigation inertielle à interféromètre atomique basé sur le rubidium qui peut tenir dans moins d'un mètre cube et peut fonctionner dans des zones interdites au GPS. "Nous visons à avoir la première livraison de systèmes utilisables sur le terrain en 2023", a déclaré Biercuk.

La société vise également à placer des interféromètres atomiques à bord de satellites pour effectuer une cartographie gravimétrique depuis l'espace à un coût 100 fois inférieur au coût actuel, avec des lancements de charges utiles de démonstration en orbite terrestre basse prévus en 2025. En outre, Q-CTRL est membre de l'Australian's Seven Consortium de l'industrie spatiale sœurs concevant un nouveau rover lunaire à l'appui du programme Artemis de la NASA, dans lequel Q-CTRL travaille sur un magnétomètre atomique quantique à base de rubidium pour analyser magnétiquement les roches lunaires pour l'oxygène.

MATIÈRE NOIRE, TÉLESCOPES GÉANTS : Les capteurs quantiques peuvent aider à sonder des questions bien au-delà de la Terre. Par exemple, l'un des plus grands mystères de l'univers est la nature et l'identité de la matière noire, la substance invisible censée constituer les cinq sixièmes de toute la matière de l'univers. Les principaux candidats théoriques pour la matière noire comprennent des particules appelées axions, qui ont en principe une masse extrêmement faible, au plus juste un billionième de la masse du proton, ce qui les rend difficiles à détecter.

Le physicien quantique Kent Irwin de l'Université de Stanford et ses collègues développent une « radio de matière noire » pour détecter les axions et les candidats similaires de la matière noire. Un aimant puissant dans l'appareil convertira les axions en ondes radio, et des capteurs quantiques viseront à amplifier et à détecter ces signaux radio extrêmement faibles.

Étant donné que les fréquences que la radio de matière noire sondera incluront celles utilisées pour la diffusion en direct, l'appareil nécessitera un blindage dans une fine couche de niobium métallique supraconducteur refroidi dans de l'hélium liquide. Cela devrait filtrer les signaux artificiels mais sera facilement pénétré par la matière noire. "Nous prévoyons maintenant une version de la radio à matière noire d'une échelle d'environ un mètre cube que nous aimerions construire dans les prochaines années", a déclaré Irwin.

La physique quantique peut également aider à activer les réseaux de télescopes géants, dit Irwin. Plusieurs télescopes largement séparés dans l'espace peuvent théoriquement être combinés pour former essentiellement un seul télescope de milliers de kilomètres de large.

La formation de tels réseaux avec des télescopes optiques imageant la lumière visible est difficile en raison des fluctuations aléatoires qui surgissent inévitablement dans toute fibre optique reliant ces télescopes. Cependant, l'intrication peut en principe permettre la téléportation quantique de données sur de grandes distances.

Le chercheur en optique quantique Paul Kwiat de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign étudie actuellement une telle "télescopie améliorée quantique" avec des expériences sur table. "C'est encore très loin, mais c'est aussi un véritable Saint Graal, un coup de lune incroyablement excitant", déclare Irwin. Un réseau de télescopes d'environ le diamètre de la Terre peut en principe représenter la taille des villes sur les étoiles proches, dit-il.

LIMITES INDÉPENDANTES :Récemment, des scientifiques autrichiens ont développé le premier capteur quantique programmable, un appareil capable d'un niveau de sensibilité sans précédent fonctionnant près des limites fondamentales imposées par les lois de la mécanique quantique.

Dans ce travail, ils ont programmé un ordinateur quantique pour trouver les meilleurs réglages pour lui-même avec lesquels mesurer les états de ses composants. Ils ont découvert que ce capteur quantique programmable pouvait s'optimiser suffisamment pour approcher la limite de détection fondamentale jusqu'à un facteur d'environ 1,45. (Plus un capteur se rapproche de la limite de détection ultime de 1, meilleures sont ses performances.) Ils suggèrent que les capteurs quantiques programmables pourraient être utilisés dans des dispositifs tels que les horloges atomiques et les systèmes de positionnement global, ainsi que dans les capteurs magnétiques et inertiels.

Dans l'ensemble, "les capteurs quantiques émergent avec une précision exquise pour tout couvrir, des protéines uniques aux questions d'astronomie et de cosmologie", déclare Awschalom.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de juin 2022 sous le titre "A Guide to the Quantum-Sensor Boom".