Les résultats de la collaboration britannique représentent des avancées majeures dans le développement de capteurs quantiques à grande échelle.
Un prototype de capteur quantique développé par des chercheurs de l’Impérial montre pour la première fois que l’idée clé des futurs détecteurs quantiques peut fonctionner dans des conditions expérimentales réelles.
L’étude montre qu’une comparaison de deux interféromètres atomiques à longue base montre que l’utilisation de lasers pour mesurer le comportement des atomes avec une très grande précision peut éliminer efficacement le bruit expérimental.
Cela permet de récupérer le signal même si chaque mesure est noyée par le bruit. Cette avancée pourrait soutenir les futures recherches de signes d’ondes gravitationnelles et de formes inhabituelles de matière noire dans l’univers primitif.
Ce travail fait partie de la collaboration Atom Interferometer Observatory and Network (AION). dirigé par l’Empereur, AION Il comprend des chercheurs d’institutions britanniques développant des technologies de détection quantique de nouvelle génération.
Cette étude a été publiée le 17 juin 2026 Nature.
Suppression du bruit dans les mesures quantiques
Comprendre le contenu de l’univers et trouver de nouvelles sources d’ondes gravitationnelles reste l’une des plus grandes questions de la physique moderne.
Ces deux objectifs exigent que les scientifiques détectent des signaux très faibles qui peuvent être masqués par le bruit de fond. Il est important de trouver un moyen fiable de séparer ces signaux du bruit pour étudier les régions de l’univers qui ne peuvent pas être atteintes par les expériences actuelles.
Les interféromètres atomiques à longue base apparaissent comme l’une des technologies les plus prometteuses pour cette tâche. En utilisant un laser pour diviser puis recombiner un nuage d’atomes, ils peuvent mesurer d’infimes changements dans le mouvement atomique avec une précision exceptionnelle.
Cette méthode repose sur la comparaison du comportement de deux nuages atomiques placés à des endroits différents et mesurés avec le même laser. Toute différence entre eux pourrait révéler des signaux cachés, comme la présence d’un champ de matière noire.
Mais cette approche se heurte à de sérieux obstacles. Le laser qui pilote l’expérience produit un bruit de phase beaucoup plus important que celui que les physiciens du signal espèrent détecter. Sans correction, ce bruit masquera complètement l’effet recherché.
Les scientifiques ont proposé une solution différentielle à ce problème, en comparant deux interféromètres et en supprimant le bruit partagé. Cette idée est au cœur des plans pour la prochaine génération de détecteurs, mais jusqu’à présent, elle n’a pas encore été mise en œuvre dans des conditions réelles.
Commentant l’importance de cette avancée, le Dr Charles Baynham, directeur du laboratoire de strontium ultrafroid de l’Imperial College de Londres, a déclaré : « Nous savons depuis longtemps que les capteurs quantiques peuvent nous aider à comprendre l’univers, mais ce n’est que récemment que nous avons pu les construire avec la précision dont nous avons besoin.
Nous sommes très fiers des efforts de notre équipe pour faire de ces capteurs une réalité – nous attendons avec impatience le jour où les signaux atomiques nous parleront de trous noirs qui ont fusionné il y a des millions d’années.
Tester l’approche
Dans une nouvelle étude, le groupe de l’Impérial a testé ce principe en laboratoire.
À l’intérieur du laboratoire impérial de strontium ultrafroid, ils ont créé un modèle de bureau utilisant deux nuages de strontium 87 ultrafroid largement séparés mesurés par une seule horloge laser ultrastable.
La conception visait à recréer les conditions attendues dans les futures expériences à grande échelle, où le contrôle du bruit deviendrait de plus en plus difficile.
Pour mettre l’accent sur la technique, le groupe a délibérément ajouté un bruit de phase supplémentaire au système, beaucoup plus important que l’horloge laser, pour imiter les conditions attendues dans les détecteurs à longue base.
Les deux interféromètres ne pouvaient plus être utilisés indépendamment car le bruit submergeait le signal. Les modèles d’interférences couramment utilisés dans les mesures sont efficacement éliminés.
Mais lorsque les deux interféromètres furent comparés, le signal réapparut. Bien que chaque mesure individuelle semble aléatoire, la corrélation entre elles révèle le comportement sous-jacent du système. Les mesures combinées atteignent les limites fondamentales fixées par la physique quantique, montrant que l’annulation du bruit laser fonctionne comme il se doit.
Les scientifiques ont ensuite ajouté au système des signaux oscillatoires supplémentaires, similaires à ceux produits par les ondes gravitationnelles ou les champs de matière noire. Aucun des interféromètres ne contenait d’informations utilisables en soi, mais le signal était toujours clairement détecté.
Vers la prochaine génération de détecteurs
Les résultats constituent la première preuve expérimentale de principe des interféromètres atomiques à longue base et aident à relever l’un de leurs principaux défis de conception.
Grâce au programme AION, les chercheurs développent les technologies nécessaires pour étendre ces systèmes à des expériences capables d’explorer de nouvelles régions de l’univers.
AION fait également partie d’un effort international plus large qui comprend une étroite collaboration avec le projet MAGIS du Fermilab et des institutions associées aux États-Unis, travaillant toutes au développement d’une interférométrie atomique à grande échelle pour la physique fondamentale.
Une proposition est l’expérience Aatom Interferometry CERN (AICE), qui utiliserait une technique similaire à de plus longues distances. S’il est mis en œuvre, l’AICE ouvrira de nouvelles voies au CERN pour l’utilisation à grande échelle de capteurs quantiques en physique fondamentale. Ces types d’installations pourraient constituer l’une des plus grandes expériences quantiques jamais construites.
Le Dr Richard Hobson, directeur du laboratoire de strontium ultrafroid de l’Imperial, a déclaré: «Nous avons montré que nous pouvons utiliser les instruments les plus sophistiqués, tels que les horloges atomiques et les interféromètres atomiques, pour ouvrir de toutes nouvelles fenêtres sur des parties invisibles de notre univers.»
Notre expérience actuelle n’est qu’un prototype, mais la transformer en une installation à grande échelle dans un laboratoire comme le CERN ou le Laboratoire Fermi pourrait révéler certains des mystères les plus profonds de la physique, y compris la nature de la matière noire. »
Les chercheurs impériaux envisagent ces systèmes dans le cadre d’un effort international visant à créer une nouvelle génération de capteurs quantiques. À l’avenir, de tels détecteurs pourraient sonder les bandes de fréquences actuellement inaccessibles des ondes gravitationnelles, rechercher de nouvelles formes de matière et ouvrir des fenêtres jusqu’alors inexplorées sur l’Univers.
Le professeur Oliver Buchmüller, chercheur principal de la collaboration AION à l’Imperial, a ajouté : « Ce travail constitue une étape importante dans le développement de capteurs quantiques à grande échelle pour l’avenir de la physique fondamentale. Il démontre la prochaine génération d’installations d’interféromètre atomique, les ferromètres MACE développés au niveau international, et la prochaine génération d’installations d’interféromètre atomique en cours de développement international au CERN.
Références : CFA Baynham, R. Hobson, O. Buchmüller, D. Evans, L. Hawkins, L. Iannizzotto Venezze, A. Josset, D. Lee, E. Pasatembou, BE Sauer, MTUUu A. Brzakalik, S. Day, S. Hedges, B. Stray, M. Langlois, K. Bongs, T. Hird, S. Lelluch, M. Holinski, B. Bostwick, J. Chen, Z. Eiler, W. Gibson, TL Harte, SC Hsu, M. Karzazi, C. Lu, B. Mell, B. Panchumarty, J. Scheper, U. Schneider, X. Su, Y. Tang, K. Tkalcec, M. Zeuner, S. Zhang, Y. Ji, L. Badurina, A. Benival, D. Blas, J. Carlton, J. Ellis, K. McCabe, G. Parish, D. Pathan, V. Howard et V. Howard. Bridges, A. Carroll, J. Coleman, G. Elerthas, S. Hindley, K. Metelko, H. Trossell, J. N. Tinsley, E. Bentin, M. Booth, D. Bortoletto, N. Callaghan, K. Foote, K. Gomez-Monedero, K. Hughes, A. James, A. March. Sander, J. Schelfhout, I. Shipsey, D. Weatherill, D. Wood, SN Balashov, MG Bason, K. Hussain, H. Labiad, P. Majewski, AL Marchant, D. Newbold, Z. Pan, Z. Tam, TC Thornton, T. Valenzuela, MGD. Gmutten, K. Vic et AION Collaboration, 17 juin 2026, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-026-10617-1
Financement : Royal Society, UK Research Councils, Cambridge University, Generalitat de Catalunya, Miniversidades Miniversidades
Le programme a été soutenu par le programme Quantum Technologies in Fundamental Physics (QTFP), une initiative conjointe STFC-EPSRC.
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