Capteur quantique intégré pour la détection d’espèces chimiques – PARADIS

La métrologie quantique est l'une des applications les plus prometteuses des technologies quantiques, permettant de mesurer des quantités physiques avec une exactitude et une précision sans précédent, par rapport aux techniques basées sur des ressources classiques. Pour les applications dans le domaine de la biologie et de la chimie, l'intérêt majeur de la métrologie quantique se concentre sur les systèmes photoniques. En effet, les photons peuvent pénétrer les milieux aqueux, ils n'endommagent pas les spécimens biologiques fragiles et les perturbent peu tout en assurant une interaction efficace avec l’environnement. L'exploitation de la photonique quantique pour développer une nouvelle génération de capteurs chimiques est particulièrement intéressante car cela permettrait des schémas de détection ultra-sensibles et des mesures non-destructives.

Les progrès réalisés dans la fabrication, la miniaturisation et l'intégration de fonctions optiques à l'aide de plateformes photoniques intégrées ont permis le développement de la photonique quantique intégrée. Il devient alors possible d’envisager la génération et la manipulation d'états photoniques quantiques sur puce, et leur interaction avec l’environnement permettant une détection rapide, sélective, à distance, en temps réel et non destructive. Cependant, on se rend compte qu’il n’y a pas une plateforme possédant toutes les qualités, mais que celles-ci sont réparties sur plusieurs plateformes. La mise en œuvre de tels systèmes physiques reste encore une tâche ambitieuse, avec plusieurs obstacles technologiques qui freinent l’émergence de véritables capteurs chimiques intégrés quantiques. Dans ce contexte, PARADIS vise à faire la démonstration d'une plateforme technologique hybride qui exploite les avantages de la métrologie quantique pour déployer des capteurs dont la sensibilité est accrue, dans un système compact et fiable.

L’ambition est de mettre au point une nouvelle génération de capteurs quantiques intégrés à haute-sensibilité dans une puce photonique fonctionnalisée. La technologie envisagée repose sur une plateforme photonique hybride, composée de deux matériaux complémentaires, le niobate de lithium et le verre structuré par laser, respectivement bien connus pour leurs propriétés non-linéaires exceptionnelles et leur flexibilité.

L’objectif scientifique consiste à développer un capteur quantique intégré pour détecter des espèces chimiques. Dans le cadre de ce projet, nous nous concentrerons à détecter un gaz, le CO2, afin d’apporter une preuve de principe. Nous attirons l’attention au caractère générale que revêt ce projet car nous nous attacherons à démontrer les principes de base qui pourront être ensuite adaptées en fonction de l’espèce visée (chimique ou biologique). Le principe de l’expérience repose sur l’interférométrie à deux photons en exploitant les propriétés d’intrication. D'autre part, PARADIS relève les défis technologiques afin de développer des composants intégrés de grande qualité, avec la vision de rassembler une myriade de fonctions dans une seule puce photonique permettant à la fois la génération et la manipulation de ressources quantiques.

PARADIS permettra d’envisager de nouvelles innovations dans le domaine de l’interférométrie rendant possible la réalisation de dispositifs quantiques à l'échelle de la puce, favorisant le déploiement de techniques de laboratoire pour une utilisation pratique. Ce projet contribuera au développement à long terme de nouvelles capacités technologiques en reliant les technologies quantiques à des cas d’usage.