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AXE 4 – Capteurs quantiques et métrologie

Quel que soit le système physique utilisé (atomes, molécules, spins, dispositif optomécanique de dimension micro ou nanométrique), les capteurs quantiques fonctionnent en exploitant les propriétés quantiques de la matière et de la lumière pour obtenir une très grande sensibilité aux champs de force extérieurs. Ils permettent de mesurer un large éventail de grandeurs physiques, ouvrant des applications dans de nombreux domaines à fort impact sociétal, comme la surveillance du climat et des ressources naturelles, la santé, le positionnement, la navigation et la datation, ou la prévention des catastrophes naturelles. Cela suscite des liens forts avec le tissu industriel (Thales, iXblue…). Si ces capteurs sont souvent limités par des sources de bruit classiques, qu’il convient de mieux maîtriser, les protocoles de mesure exploitant les corrélations quantiques (entre atomes, modes mécaniques, états du champ électromagnétique ou encore états de spin) offrent la possibilité de repousser leur sensibilité en dessous de la limite quantique standard, atteignant ainsi des performances inaccessibles aux technologies classiques.

Les défis actuels dépendent du système considéré. Les capteurs à base d’atomes ayant fait la preuve de leur grande sensibilité, un enjeu majeur est de les miniaturiser davantage sans dégrader leurs performances. Les capteurs opto-mécaniques, miniatures et facilement intégrables, sont de mieux en mieux maîtrisés dans le régime quantique et se montrent de plus en plus polyvalents. Les capteurs tout-optiques tirant parti d’une lumière quantique sont prometteurs tout en restant simples d’utilisation. Enfin les capteurs à base d’atomes artificiels ont déjà montré de grandes sensibilités aux mesures de champs magnétiques, ils sont également prometteurs dans le domaine mécanique et inertiel. Pour tous ces capteurs, les équipes d’Île-de-France sont aujourd’hui à l’état de l’art mondial.

Figure 4 : Un centre coloré du diamant, se comportant comme un atome artificiel ou un qubit, permet de mesurer in situ et avec une grande précision le champ magnétique dans un échantillon soumis à une très haute pression.

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