Mesures Inertielles de Précision par Interférométrie Atomique – PIMAI

Nous poursuivrons des développements instrumentaux sur un gyromètre à atomes froids à l’état de l’art, situé au laboratoire SYRTE. Nous développerons le concept de l’interférométrie atomique entrelacée, qui permet de bénéficier à la fois d'une sensibilité et d'une bande passante élevées. Une bande passante élevée représentera une amélioration clé pour les instruments visant à mesurer des signaux variant sur des échelles de temps de la seconde, comme en navigation inertielle. Nous étudierons également l'hybridation de capteurs à atomes froids avec des sismomètres optiques afin d'atteindre la limite de bruit quantique dans les interféromètres de grandes aires, traditionnellement limités par du bruit inertiel. Ces recherches conduiront à un gyroscope à atomes froids avec une sensibilité et une stabilité plus de dix fois supérieures à celles des meilleurs gyromètres à fibre optique actuels.

Nous étudierons l'amélioration de la performance offerte par l'utilisation d'un résonateur optique pour interroger les atomes. Nous visons à améliorer d'un ordre de grandeur le facteur d'échelle de l'interféromètre avec des séparatrices atomiques multi-photoniques réalisées dans une cavité optique résonante pour un faisceau de taille centimétrique. Ces recherches détermineront de nouvelles conceptions possibles pour des capteurs à atomes froids occupant un volume réduit et fonctionnant à des fréquences d'échantillonnage plus élevées, deux points clés pour les applications sur le terrain des capteurs quantiques.

Nous avons mis en place un nouveau piège magnéto optique à 2 dimensions nous procurant un flux d’atomes 3 fois supérieur au flux précédent. Nous avons imaginé une technique alternative de détection des atomes permettant de réduire les contraintes de complexité associées à la source atomique pour parvenir à une haute cadence de mesure pour l’interférométrie atomique entrelacée.

Nous avons mis en place en janvier-février 2020 un second axe de mesure des vitesses de rotation, qui est désormais opérationnel. Nous avons également retravaillé sur le bruit de phase des lasers Raman qui est désormais de 3 mrad par coup contre 30 mrad auparavant, nous plaçant proche du bruit de projection quantique.

Nous avons mis en place et démontré 2 techniques importantes pour le gyromètre à atomes froids : une technique permettant d’aligner les trajectoires des atomes afin de contraindre les biais au niveau de 0,1 nrad/s (publication dans Phys Rev A en 2019) ; une autre permettant de s’affranchir des interféromètres parasites tout en éliminant la sensibilité aux accélérations de l’instrument (publication dans Phys Rev Letters en 2020).

Nous avons finalisé l’étude de la cavité optique dégénérée initialement prévue. Nous sommes parvenus à démontrer un gain optique de 26 pour un faisceau de 2.8 mm de diamètre. Obtenir de plus grands faisceaux s’est révélé difficile et nous avons développé un modèle numérique permettant d’expliquer les comportements observés lorsque la taille du faisceau augmente (publication dans Optics Express en 2020).

- test de l'effet Sagnac avec des ondes de matière avec une exactitude relative de 50 ppm ;
- application de la gyrométrie atomique en sismologie ;
- implémentation des techniques d'interférométrie atomique développées dans ce projet dans les prototypes de détecteurs d'ondes gravitationnelles.

1. Degenerate optical resonator for the enhancement of large laser beams
Nicolas Mielec, Ranjita Sapam, Constance Poulain, Arnaud Landragin, Andrea Bertoldi, Philippe Bouyer, Benjamin Canuel, Remi Geiger
Optics Express Vol. 28, Issue 26, pp. 39112-39127 (2020)
arxiv.org/abs/2009.00941
2. Tailoring multi-loop atom interferometers with adjustable momentum transfer
L. A. Sidorenkov, R. Gautier, M. Altorio, R. Geiger, A. Landragin
Phys. Rev. Lett. 125, 213201 (2020)
arxiv.org/abs/2006.08371
3. Accurate trajectory alignment in cold-atom interferometers with separated laser beams
M. Altorio, L. A. Sidorenkov, R. Gautier, D. Savoie, A. Landragin, R. Geiger
Phys. Rev. A, 101, 033606 (2020)
arxiv.org/abs/1912.04793

11 présentations dans des conférences internationales.

Après 25 ans de recherche, les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique ont atteint des performances rivalisant ou dépassant celles des capteurs inertiels utilisant d’autres technologies. Ces capteurs présentent des applications en géophysique, en navigation inertielle, en métrologie, et pour les tests de physique fondamentale. Elargir le champ d’applications de ces capteurs requiert de repousser leurs performances en termes de sensibilité, de stabilité, de dynamique, de compacité, de robustesse, de facilité d’utilisation et de coût.

Plus de 20 groupes de recherche et 4 entreprises dans le monde développent des capteurs inertiels à atomes froids pour différentes applications, et étudient des techniques pour améliorer leurs performances. Concernant les améliorations de sensibilité, les méthodes les plus étudiées impliquent des séparatrices atomiques multi-photoniques, de longs temps d'interrogation, l’utilisation de sources ultra-froides et des méthodes avancées de détection ou de préparation. D'autres équipes visent la simplification de l'architecture des capteurs, en poussant leur dynamique et / ou leur fréquence d'échantillonnage pour des applications de terrain, et en améliorant leur robustesse. L'objectif de ce projet ANR est de poursuivre cet effort de recherche en étudiant de nouvelles techniques génériques d'interférométrie atomique permettant d'améliorer les performances, de caractériser ces techniques dans un instrument de pointe et d'utiliser cet instrument pour des mesures inertielles de précision.

Dans un premier temps, nous poursuivrons des développements instrumentaux sur un gyromètre à atomes froids à l’état de l’art, situé au laboratoire SYRTE. Nous développerons le concept de l’interférométrie atomique entrelacée, qui permet de bénéficier à la fois d'une sensibilité et d'une bande passante élevées. Une bande passante élevée représentera une amélioration clé pour les instruments visant à mesurer des signaux variant sur des échelles de temps de la seconde, comme en navigation inertielle. Nous étudierons également l'hybridation de capteurs à atomes froids avec des sismomètres optiques afin d'atteindre la limite de bruit quantique dans les interféromètres de grandes aires, traditionnellement limités par du bruit inertiel. Ces recherches conduiront à un gyroscope à atomes froids avec une sensibilité et une stabilité plus de dix fois supérieures à celles des meilleurs gyromètres à fibre optique actuels.

Deuxièmement, nous utiliserons le capteur à atomes froids pour un test de physique fondamentale. Nous mettrons à l'épreuve les modèles de décohérence gravitationnelle, prédisant la décohérence de superpositions quantiques macroscopiques en présence du champ gravitationnel généré par une masse source locale.

Troisièmement, nous étudierons l'amélioration de la performance offerte par l'utilisation d'un résonateur optique pour interroger les atomes. Nous visons à améliorer d'un ordre de grandeur le facteur d'échelle de l'interféromètre avec des séparatrices atomiques multi-photoniques réalisées dans une cavité optique résonante pour un faisceau de taille centimétrique. Ces recherches détermineront de nouvelles conceptions possibles pour des capteurs à atomes froids occupant un volume réduit et fonctionnant à des fréquences d'échantillonnage plus élevées, deux points clés pour les applications sur le terrain des capteurs quantiques.

Dans un paysage hautement concurrentiel, ce projet permettra à un jeune chercheur de mener les développements clés de l'interférométrie atomique et de renforcer ainsi la position de la France et de l'Europe dans ce domaine des capteurs quantiques en rapide évolution. Outre l'impact attendu en physique atomique, en géophysique, en physique fondamentale et en navigation inertielle, le savoir-faire acquis dans ce projet impactera le développement industriel des capteurs à atomes froids, dans un secteur compétitif où l'équipe du SYRTE peut s’imposer comme leader.