Un accéléromètre quantique 3D qui pourrait permettre aux navires de se passer de GPS en cas de besoin

accéléromètre quantique 3D
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Une équipe internationale de chercheurs a conçu un appareil reposant sur des effets quantiques, capable de mesurer avec une très grande précision sa position dans les trois dimensions de l’espace. Ce type de dispositif, qui s’avère plus précis que ses homologues non quantiques, pourrait remplacer avantageusement un système GPS en cas de dysfonctionnement ou d’indisponibilité.

Un accéléromètre est un instrument qui permet de mesurer l’accélération non gravitationnelle linéaire de l’objet qui le porte ; il détecte les changements de mouvements et permet ainsi de suivre la position d’un objet. Les smartphones (ou les tablettes) possèdent tous un accéléromètre : c’est grâce à lui que l’écran bascule lorsque l’on tient l’appareil horizontalement, et c’est sur lui que reposent les applications de type tracker de pas. Il se compose d’une partie fixe et d’une partie mobile ; en cas de mouvement, la partie mobile bouge et la variation de capacité électrique entre les deux parties permet de déterminer le sens et l’ampleur du mouvement.

Un accéléromètre quantique repose quant à lui sur la mesure des propriétés des ondes quantiques émises par les atomes lors des accélérations — ce qui permet de déduire le déplacement, et donc la position par rapport au temps. Il s’avère beaucoup plus sensible et plus précis que les accéléromètres classiques. Le tout premier accéléromètre quantique commercialement viable a été mis au point en 2018, par une équipe de l’Imperial College de Londres. Leur dispositif repose sur des atomes ultra-froids, refroidis à l’aide de puissants lasers ; il ne dépend d’aucun signal externe.

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Une accélération basée sur des motifs d’ondulation

Les accéléromètres classiques mesurent l’évolution de la vitesse d’un objet dans le temps. Si l’on connaît son point de départ, il est donc possible d’en déduire sa position. Mais ces dispositifs ne peuvent pas maintenir leur précision sur de longues périodes sans référence externe. Les accéléromètres quantiques sont quant à eux complètement autonomes, en plus d’être plus précis. Cependant, la plupart des dispositifs construits jusqu’à présent ne peuvent mesurer une position que dans une seule dimension, le long d’une ligne droite.

Or, il serait beaucoup plus utile de pouvoir mesurer les déplacements dans les différentes directions (longitudinale, transversale et verticale) — comme le font déjà les accéléromètres intégrés aux smartphones. Cet objectif a désormais été atteint : une équipe de chercheurs est parvenue à construire un accéléromètre quantique capable d’effectuer la mesure dans les trois dimensions.

schéma accéléromètre quantique 3D
(a) Concept et géométrie de la « triade d’accéléromètres quantiques » (QuAT). (b) Modèle 3D de la tête du capteur montée sur une platine de rotation qui peut être inclinée autour des axes z et x, selon des angles θz et θx, respectivement. © S. Templier et al.

L’appareil, baptisé QuAT (pour Quantum Accelerometer Triad) se présente sous la forme d’une boîte de 40 centimètres de long. À l’intérieur se trouve une seconde boîte en verre, plus petite, contenant un nuage d’atomes de rubidium maintenus à une température légèrement supérieure au zéro absolu. À cette température extrême, les atomes se comportent à la fois comme de la matière et comme une onde.

Trois lasers pointent la boîte d’atomes dans toutes les directions (longueur, largeur et hauteur). En excitant les atomes, les lasers génèrent des collisions provoquant des ondulations dont la nature dépend des mouvements de l’appareil. L’analyse des motifs d’ondulation permet de calculer l’accélération dans les trois directions.

Un intérêt pour la sismologie et l’exploitation minière

Le dispositif a fait ses preuves : les chercheurs l’ont fixé sur une table « mouvante » (qui vibre et tourne sur elle-même). Ils ont alors constaté que si les mesures d’accélération étaient utilisées pour calculer la position du dispositif dans l’espace, au bout de quelques heures, elles seraient inexactes d’environ 20 mètres. Parallèlement, une version standard non quantique se serait trompée d’un kilomètre !

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Si cet appareil est aussi précis, c’est parce que les atomes peuvent être contrôlés avec une très grande précision. « Son biais ultra-faible permet de suivre le vecteur accélération sur de longues échelles de temps, ce qui permet de multiplier par 50 la stabilité (6×10-8 g) par rapport à nos accéléromètres classiques. Nous enregistrons le vecteur accélération à un débit de données élevé (1 kHz), avec une précision de magnitude absolue inférieure à 10 μg et une précision de pointage de 4 μrad », souligne l’équipe dans son article.

Ces résultats suggèrent que ce dispositif serait fort utile à bord de gros véhicules qui absorbent beaucoup de vibrations, tels que les navires. Un navire équipé de cet accéléromètre quantique pourrait garder le cap en cas de dysfonctionnement du signal GPS. La précision de pointage du QuAT, associée à sa stabilité à long terme, constitue une alternative prometteuse pour les mesures à haute résolution de l’inclinaison des marées, ajoutent les chercheurs. L’appareil pourrait également contribuer à améliorer les modèles sismiques et à caractériser les sources des séismes.

D’autres experts, qui n’ont pas participé à la conception de l’appareil, soulignent qu’il pourrait également être très utile pour cartographier plus précisément l’intérieur de la Terre à des fins d’exploitation minière — l’accélération gravitationnelle variant légèrement selon la composition souterraine, par exemple au-dessus d’un puits de pétrole.

Source : S. Templier et al., ArXiv

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