Les expériences d'atome froid sont parmi les moyens les plus puissants et les plus précis d'étudier et de mesurer l'univers et d'explorer le monde quantique. En piégeant les atomes et en exploitant leurs propriétés quantiques, les scientifiques peuvent découvrir de nouveaux états de matière, ressentir même le moindre des signaux, prendre des mesures ultra-précises du temps et de la gravité et effectuent des expériences de détection quantique et de calcul.
Cependant, en tant que puissants et sophistiqués, ces expériences sont actuellement confinées dans l'environnement hautement contrôlé du laboratoire, installé sur des tables optiques et des racks d'équipements conçus pour isoler l'environnement et offrir aux utilisateurs la stabilité pour aligner précisément les différents lasers et composants optiques, y compris les lentilles, les modulateurs, les épisodes de fréquences et les autres composants qui génèrent, les manipulateurs et les mélodies ont besoin pour des expériences quantiques.
Il y a une multitude de connaissances à acquérir en retirant ces expériences du laboratoire et en utilisant leur pouvoir pour mesurer et surveiller les phénomènes dans le monde extérieur, selon le professeur de génie électrique et informatique de l'UC Santa Barbara, Daniel Blumenthal.
« Vous pouvez mesurer l'élévation du niveau de la mer, les changements de glace de mer, même les tremblements de terre avec une précision de cent kilomètres », a-t-il déclaré. « Littéralement, des événements qui se produisent sur Terre que vous pouvez voir à partir des champs gravitationnels autour de la planète. De plus, des mesures précises du temps dans l'espace ouvriront de nouvelles voies d'expériences gravitationnelles et recherchent de nouvelles particules telles que la matière noire. »
Petites composants, grandes performances
C'est pourquoi, depuis plus d'une décennie entière, Blumenthal et les collaborateurs travaillent pour traduire les différentes fonctions des expériences quantiques actuelles à l'atome froid à une forme plus portable et déployable, intégrant des systèmes de table entiers dans des appareils qui peuvent s'asseoir dans la paume de votre main. Il a commencé avec une série de projets à l'échelle des puces pour la US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).
« Ils voulaient faire une petite horloge atomique de facteur de forme », se souvient Blumenthal d'un projet particulier « et nous étions responsables de la livraison de faisceau. » Le «faisceau» fait référence aux lasers utilisés pour piéger, refroidir et sonder les atomes de chronométrage – cégeouflé ou rubidium – qui doivent être confinés de leur source atomique à une «mélasse atomique atomique» froide où le chronomètre peut être effectué.
Cet effort a amené les chercheurs à demander: pourquoi ne pas miniaturiser le reste du tableau optique? En plus de la livraison du faisceau, il existe des composants responsables de la lumière (lasers), des cavités de stabilisation, des modulateurs optiques, du changement de fréquence, de la programmation de fréquence, du contrôle de déclenchement et de l'intensité – tout le matériel destiné à manipuler et à modifier le signal optique lorsqu'il est relayé de point à point.
Cette miniaturisation n'est pas une tâche simple. En plus de reproduire les fonctions d'une table optique, les composants doivent le faire avec les performances nécessaires pour effectuer le refroidissement, le piégeage, la préparation et la mesure des états atomiques sur les puces miniatures comme cela serait fait sur les tables optiques conventionnelles. Ces minuscules composants devraient alors offrir aux utilisateurs la même stabilité dans le monde extérieur, le tout dans une configuration durable qui peut résister aux environnements extrêmes dans lesquels ils pourraient être déployés.
« Nous voulons créer la même stabilité et précision, mais avec l'ajout de fiabilité et de facilité de faire plus d'échec à un grand nombre de qubits », a expliqué Blumenthal. Les puces nécessiteraient également moins d'énergie, a-t-il dit, et coûte moins cher pour produire pour une plus grande accessibilité et une commercialisation.
Heureusement, les progrès de la photonique intégrée ont permis de plus en plus possible pour les ingénieurs et les scientifiques de développer un matériel optique à l'échelle des puces; Dans d'autres royaumes tels que les télécommunications et la biomédecine, les circuits intégrés photoniques sont déjà des acteurs majeurs. Le temps était mûr de monter sur la vague.
La première étape importante de Blumenthal et de son équipe est arrivée en 2023 lorsqu'ils ont annoncé qu'ils avaient pu créer des atomes de rubidium froid avec des poutres livrées par la photonique intégrée pour la première fois, via leur piège à magnéto-optique photonique intégré (PicMot). La livraison de faisceau, intégrée dans une plate-forme d'intégration de nitrure de silicium à faible perte, relie les lasers refroidis et répumés à trois faisceaux qui s'interfacent ensuite aux atomes de rubidium dans le vide.
Les trois faisceaux traversent la cellule d'atome et sont reflétés par les miroirs sur eux-mêmes pour former la région d'intersection optique utilisée pour refroidir et piéger les atomes de rubidium, en combinaison avec des bobines magnétiques. Une fois les atomes refroidis formés, d'autres lasers peuvent être utilisés pour exploiter les propriétés des atomes froids et effectuer d'autres expériences quantiques.
« Les atomes chauds – atomes thermiques – ont beaucoup », a expliqué Blumenthal. « Si vous refroidissez maintenant les atomes et attachez un laser à ces transitions, vous pouvez faire un capteur et une horloge plus précis. »
La preuve de concept des chercheurs a démontré que leur minuscule picmot était capable de piéger plus d'un million d'atomes de la vapeur de rubidium à l'intérieur de la cellule à vide et de les refroidir à 250 microkelvin (c'est environ -460 ° F ou -273 ° C). Selon Blumenthal, plus il y a d'atomes piégés et refroidis, plus la mesure résultante serait précise pour ces expériences d'atomes neutres.
« Des atomes plus froids et plus d'atomes équivaut à une meilleure précision et plus de sensibilité », a déclaré Blumenthal. « C'est parce que vous comprenez la mesure sur plus de capteurs. »
En 2024, le laboratoire de Blumenthal a signalé une nouvelle réalisation: l'intégration d'une largeur de ligne ultra-lobe, verrouillée par auto-injection, laser 780 nm sur une puce de nitrure de silicium. En utilisant une diode laser Fabry-Pérot commune disponible dans le commerce comme source de lumière, l'équipe a pu « nettoyer », « calmer » et régler le laser à la fréquence souhaitée avec des composants photoniques qu'ils avaient développés, y compris des résonateurs de facteurs ultra de haute qualité et des guides d'ondes les plus faibles.
Lors du nettoyage du « bruit » spectral fourni avec le laser acheté en magasin, a déclaré Blumenthal, il devient possible d'utiliser la lumière pour les applications quantiques. La largeur de ligne étroite, a-t-il expliqué, signifie que la lumière émise est en une seule fréquence et est également suffisamment stable pour surmonter le bruit et les vibrations internes et externes.
« Le bruit et une large largeur de ligne bruyante limiteraient la sensibilité du capteur, ou la vitesse de l'ordinateur quantique, ou la stabilité de l'horloge atomique », a-t-il déclaré. « Un laser à largeur de ligne étroit et à faible bruit entre en jeu lorsque vous voulez faire le travail de précision. D'autres fonctions, telles que le refroidissement, ne nécessitent pas ce laser de précision, mais il y a des fonctions quantiques qui le font. »
En effet, le laser intégré photonique résultant est comparable à ceux des configurations conventionnelles, selon le membre du laboratoire de Blumenthal, Andrei Isichenko. « À certains égards, les performances sont améliorées par rapport aux lasers conventionnels en raison de l'intégration complète de l'échelle des puces », a-t-il déclaré. Le facteur de forme compact permet une rétroaction plus rapide, ce qui supprime à son tour le bruit et conduit à un signal plus robuste. La fibre optique accumule également moins de fluctuations aléatoires par rapport à leur homologue en espace libre, ajoutant à la stabilité du signal sur la puce.
Mettre tout cela ensemble
Avec une grande partie de l'infrastructure de table optique pour générer, déplacer et contrôler la lumière miniaturisée, ce n'est qu'une question de temps avant que tous ces minuscules composants MOT 3D, y compris les lasers et la cavité de référence, ne soient intégrés sur une seule puce. Dans un article invité pour le journal OpticaIssues.fr/News/2025-03-Cold-TO… oors-accessible.html, les chercheurs s'appuient sur leur expérience et leur rapport sur les progrès et discutent des voies potentielles vers l'intégration.
« Nous sommes là pour le moteur photonique pour les atomes neutres », a déclaré Blumenthal, se référant aux lasers, aux composants optiques et au contrôle et à la livraison de la lumière. Pour les systèmes basés sur des ions piégés – des atomes avec un nombre inégal de protons et d'électrons – ils « se dirigent vers ce moteur ».
Quant au «package physique», qui contient la cellule à vide et les atomes à refroidir et à piéger, les chercheurs expérimentent toujours comment mettre en œuvre des conditions idéales sur la puce, mais elles se rapprochent, a déclaré Blumenthal, expliquant que lorsqu'il s'agit de piéger les atomes neutres, plus c'est mieux. Mais il existe d'autres moyens d'utiliser des atomes pour ces applications qui utilisent des ions piégés, qui ne nécessitent généralement que quelques atomes dans une configuration bidimensionnelle. Il s'agit d'un autre domaine d'intérêt intense et d'efforts pour le groupe Blumenthal.
« Pour l'emballage de physique ionique piégé, le piège sera sur la puce cette année », a-t-il déclaré. « Nous sommes toujours à des fins de déplacer le package de physique qui maintient les atomes neutres sur une puce, et nous collaborons avec UMass Amherst à ce sujet. » En fait, le collaborateur Blumenthal et UMass Robert Niffenegger ont utilisé des lasers intégrés pour créer des qubits quantiques avec des ions piégés pour la première fois.
« La création d'un qubit d'ion piégé avec un laser intégré dans la plate-forme de nitrure de silicium à perte ultra-faible est une énorme étape », a déclaré Blumenthal, « qui ouvre le chemin vers une intégration complète du piège et des lasers et des captiques et de la création compacts par ordinateur et capteurs quantiques compacts. » «
