Comment la détection quantique change notre façon de voir le monde

Comment la détection quantique change notre façon de voir le monde

Imaginez un monde où vous pouvez savoir exactement ce qui se trouve sous vos pieds, être averti à l'avance des éruptions volcaniques, regarder aux coins de la rue ou dans des pièces, et détecter les premiers signes de la sclérose en plaques.

Bienvenue à la détection quantique, une technologie qui pourrait transformer notre monde.

Fondamentalement, ces capteurs reposent sur le comportement souvent déroutant des particules subatomiques, où les hypothèses classiques de la physique newtonienne cessent d'exister.

On dit que la physique quantique est " effrayante ", les particules se trouvant à deux endroits à la fois, mais elle pourrait être moins effrayante si vous la voyiez comme des vagues - et les vagues peuvent être à plusieurs endroits à la fois, " dit Kai Bongs du Professeur de Birmingham University.

L'équipe du professeur Bongs à Birmingham fait partie d'un consortium d'universitaires et d'entreprises qui développent des capteurs de gravité quantique ou gravimètres qui seront deux fois plus sensibles et 10 fois plus rapides que les équipements actuels.

Ce projet, intitulé Gravity Pioneer, pourrait grandement simplifier la façon dont les ingénieurs et les topographes planifient et exécutent les grands projets de construction.

Actuellement, la seule façon de découvrir ce qui se trouve sous le sol est souvent de procéder à des fouilles exploratoires, ce qui prend beaucoup de temps et coûte cher.

" On dit que ce qui se trouve à moins d'un mètre sous les rues de Londres est moins connu que l'Antarctique ", dit le professeur Bongs.

C'est un casse-tête majeur pour les entreprises de construction qui doivent réaliser des études qui peuvent prendre des jours.

"Il y a des milliers de puits de mine au Royaume-Uni, souvent de deux mètres ou moins de diamètre, et si le sommet du puits est à cinq mètres ou plus de profondeur, ils ne peuvent pas être détectés actuellement ", explique George Tuckwell de la société de services techniques RSK, qui mène le projet Gravity Pioneer.

"Mais le nouveau capteur pourra voir la plupart d'entre eux."

Il utilise des atomes de rubidium refroidis par des lasers jusqu'à une température juste au-dessus du zéro absolu (-273C) qui sont propulsés vers le haut dans le vide, puis mesurés lorsqu'ils retombent sous l'effet de la gravité.

Il est si sensible qu'il peut détecter les minuscules fluctuations de gravité qui résultent de ces structures souterraines relativement petites.

Cela devrait permettre d'accélérer les temps d'enquête, selon la société d'ingénierie Teledyne e2V, qui transforme le prototype de Birmingham en un modèle commercial.

Capteurs moins chers

La détection quantique aidera également à surveiller les volcans.

Des chercheurs de l'Université de Glasgow travaillent avec des volcanologues italiens pour placer un réseau de 40 minuscules gravimètres sur l'Etna, l'un des volcans les plus actifs du monde. Au fur et à mesure que les chambres de magma se remplissent sous le sol, leurs lectures gravimétriques changent, ce qui donne un avertissement avancé de l'activité volcanique.

Les scientifiques utilisent déjà toute une gamme d'instruments - tels que des sismomètres, des enregistreurs de déformation du sol, des moniteurs de gaz, des caméras infrarouges et des imageurs satellites - pour surveiller les volcans. Mais un réseau de gravimètres permanents et bon marché peut changer la donne, donnant des lectures beaucoup plus précises des mouvements du magma.

"Essentiellement, pour la première fois, nous serons en mesure de fournir des images gravimétriques pendant de longues périodes ", déclare le professeur Giles Hammond de l'Institut de recherche gravitationnelle de Glasgow. L'utilisation de la génération actuelle de gravimètres non quantiques encombrants oblige les scientifiques à se rendre sur la montagne et à les déplacer, ce qui présente des risques sur un volcan actif comme l'Etna.

L'équipe utilise des techniques de micro et nanofabrication pour fabriquer de minuscules gravimètres quantiques sur des plaquettes de silicium qui sont 10 fois moins chers que les modèles conventionnels. "Notre capteur est une masse sur un ressort souple, et l'endroit où ce ressort repose avec une masse donnée dépend de la gravité. Au fur et à mesure que la gravité change, l'endroit où se trouve le ressort change également ", explique le professeur Hammond.

L'université travaille également sur un type spécial de lidar en 3D qui vous permettra de regarder dans les coins, ou "voir" dans une pièce.

Le lidar conventionnel mesure la distance à un objet en l'éclairant avec une lumière laser pulsée et en mesurant ensuite les impulsions réfléchies. Mais la technologie quantique permet aux scientifiques de mesurer le temps d'arrivée des photons individuels avec une très grande précision, en trillionièmes de seconde. "Dans un canyon, vous entendez l'écho de votre voix", dit le professeur Daniele Faccio, responsable du groupe Extreme Light de l'Université de Glasgow.

"Vous pouvez faire la même chose avec de la lumière ou un rayon laser. La lumière rebondit sur les murs - tant que vous avez la bonne géométrie. Ensuite, vous pouvez construire une image 3D en utilisant ces données." L'objectif est de développer une nouvelle génération de lidar pour les voitures sans conducteur afin de leur donner plus d`information - dans le brouillard, la fumée et sur de longues distances.

Le capteur prototype de Glasgow peut déjà détecter les personnes en mouvement à 100 m de distance, même à quelques mètres d'un coin de rue.

Avantages pour la santé

La détection des maladies dégénératives est également destinée à changer grâce à la détection quantique.

Bien qu'une technologie comme l'IRM (imagerie par résonance magnétique) soit déjà utilisée, les capteurs quantiques sont plus simples, moins coûteux et ont une meilleure résolution, explique le professeur Peter Kruger de l'Université Sussex. "Dans des maladies comme la sclérose en plaques, la vitesse de traitement de la moelle épinière au cerveau change. Mais les outils existants ne peuvent pas capter ce phénomène ", dit-il. "De nouveaux capteurs quantiques seraient capables de détecter ces changements contrairement aux capteurs IRM."

Détection furtive

Il n'est donc pas surprenant que les militaires du monde entier soutiennent également la recherche sur la détection quantique. Les gravimètres, en particulier, offrent la possibilité de détecter les sous-marins de votre adversaire, par exemple. La gravité est peut-être une force faible, mais on ne peut pas s'en protéger.

Ainsi, bien que la technologie furtive puisse cacher votre signature radar, elle ne vous cachera pas d'un capteur de gravité quantique.

En octobre dernier, les scientifiques du laboratoire de recherche RDECOM de l'armée américaine au Maryland ont fait un grand pas en avant dans la détection quantique. Ils ont utilisé des lasers pour propulser les atomes de Rydberg (qui sont beaucoup plus grands que les atomes normaux) à des niveaux d'énergie exceptionnellement élevés. "Cela augmente considérablement la sensibilité de l'atome aux champs électriques. Nous avons fabriqué une aiguille de boussole géante qui est beaucoup plus sensible que les aiguilles conventionnelles ", explique le Dr Paul Kunz, membre de l'équipe de recherche.

Les armées voudront détecter quels appareils électriques peuvent transmettre ou recevoir des données - en d'autres termes, "où sont les gentils et les méchants", ajoute le Dr Kevin Cox. Contrairement aux récepteurs classiques conçus pour détecter des signaux sur une fréquence particulière du spectre électromagnétique, les atomes de Rydberg sont sensibles à une large gamme de fréquences. Et comme ils n'absorbent pas l'énergie du champ qu'ils mesurent, on peut les utiliser pour détecter des signaux sans que l'adversaire s'en rende compte.

En bref, "la technologie quantique a le potentiel de transformer le monde d'une manière à peine imaginable", conclut le professeur Bongs de l'université de Birmingham.