Capteurs inertiels quantiques reposant sur la lévitation optique confocale de nanoparticules – QACOLAC

En effectuant des mesures dynamiques de déplacement, les capteurs inertiels sont au cœur d’applications tant civiles que militaires, comme notamment la navigation autonome (i.e., sans GPS). Le projet QACOLAC propose le développement d’une nouvelle technologie de capteurs inertiels optomécaniques ultra-performants qui repose sur l’utilisation de nanoparticules en lévitation optique. La lévitation optique est une thématique de recherche émergente qui consiste à assembler des oscillateurs mécaniques extrêmement résonants à l’aide de forces optiques. Traditionnellement, ces dispositifs sont réalisés à l’aide d’une pince optique qui piège et fait léviter un nano-objet dans une chambre à vide. Confiné optiquement, la nanoparticule se comporte alors comme un oscillateur qui, en étant fortement découplé de son environnement, est capable d’atteindre dans l’ultra-vide des facteurs de qualité extrêmes (au-delà de la centaine de milliards).

Grâce à la qualité de leurs résonances, les systèmes en lévitation sont actuellement le sujet de nombreuses études afin d’exalter des phénomènes quantiques à l’échelle mésoscopique, avec comme perspectives des visées aussi bien fondamentales qu’applicatives. En métrologie, ces dispositifs permettent notamment de concevoir des capteurs inertiels. En éteignant le piège optique et en analysant la chute libre d’une nanoparticule soumise à une contrainte extérieure, il est possible d’effectuer des mesures très rapides d’accélération (i.e., à large bande passante). Malheureusement, ces dispositifs en chute libre souffrent d’une précision faible, empêchant leur déploiement pour des applications telles que la navigation autonome.

En exploitant une nouvelle architecture de lévitation, QACOLAC ambitionne de développer des capteurs inertiels en chute libre à la fois rapides et précis, mais également intégrables sur puce. Le projet repose sur une architecture de piégeage dite confocale — dans laquelle les nano-objets sont lévités en utilisant deux faisceaux lasers confocaux formant une onde stationnaire. Extrêmement sensible aux aberrations optiques, la conception de ce piège représente un verrou technologique qui sera ici levé à l’aide de méthodes d’optique adaptative offrant un degré de correction extrême. Au regard des pinces optiques traditionnelles, une architecture confocale permettra d’améliorer significativement le confinement optomécanique ou encore la durée des chutes libres, ce qui sera mis à profit pour concevoir des capteurs inertiels compacts, à grande bande passante et avec une sensibilité importante. Par ailleurs, des protocoles quantiques de mesure seront implémentés afin d’améliorer encore les performances du dispositif.