Les systèmes de navigation actuels, comme le GPS, sont omniprésents et essentiels dans notre vie quotidienne, que ce soit pour conduire, explorer ou même suivre des livraisons. Cependant, ces systèmes présentent des limitations importantes. Les signaux GPS sont en effet souvent bloqués par des bâtiments élevés, ne fonctionnent pas sous l'eau et sont vulnérables aux intempéries et aux interférences. De leur côté, les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) dépendent de signaux externes pour déterminer les positions. Mais là encore, dans des environnements complexes comme les villes avec de nombreux gratte-ciel, les tunnels souterrains ou les zones sous-marines, ces signaux peuvent être coupés ou perturbés, rendant la navigation difficile, voire impossible.
Avec l'augmentation des activités dans ces environnements complexes, la nécessité de systèmes de navigation plus précis et fiables est ainsi cruciale. Que ce soit pour des explorations sous-marines, des missions de sauvetage dans des tunnels ou même des applications militaires, une boussole capable de fonctionner indépendamment des signaux GPS offrirait en effet des avantages considérables. Le projet de boussole quantique de l'Imperial College vise à répondre à ces besoins en créant un dispositif capable de déterminer avec précision sa position sans dépendre de signaux externes. Cela pourrait révolutionner la navigation et la localisation dans des environnements difficiles. Au cœur de la boussole quantique se trouve un appareil appelé accéléromètre. Un accéléromètre est un dispositif qui mesure l'accélération, c'est-à-dire les changements de vitesse d'un objet au fil du temps. En connaissant la vitesse et la direction initiales, on peut déterminer la position de l'objet à tout moment.
Les accéléromètres se trouvent déjà dans de nombreux appareils courants, comme les smartphones et les ordinateurs portables, où ils aident à orienter l'écran ou à détecter les mouvements brusques. Cependant, ces versions commerciales ne peuvent pas maintenir une précision élevée sur de longues périodes. Pour comprendre comment la boussole quantique fonctionne, il faut d'abord se pencher sur le rôle des atomes de rubidium. Ces atomes sont choisis pour leurs propriétés particulières à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273,15°C). Dans cet état extrêmement froid, ces derniers entrent en effet dans ce qu'on appelle un état “quantique”. Cela signifie qu'ils se comportent à la fois comme des particules (des petites billes solides) et comme des ondes (des vagues sur l'eau). Cette dualité onde-particule permet aux scientifiques d'effectuer des mesures d'une précision extraordinaire.
Plus précisément, à ces températures, les atomes de rubidium se déplacent également beaucoup plus lentement et de manière plus ordonnée. En utilisant des lasers, les scientifiques peuvent encore les refroidir davantage et manipuler leurs mouvements très précisément. Ces lasers créent un environnement contrôlé où les atomes peuvent être observés et mesurés avec une grande exactitude. L'accéléromètre de la boussole quantique fonctionne essentiellement en surveillant les changements dans les propriétés des atomes de rubidium lorsqu'ils sont en mouvement. Ces infimes changements sont enregistrés et analysés pour déterminer avec précision les mouvements de l'appareil.
En combinant les données sur les mouvements des atomes avec le point de départ connu de l'appareil, les chercheurs peuvent alors calculer exactement où se trouve la boussole quantique à tout moment. Cela se fait grâce à une série de calculs complexes qui prennent en compte les variations dans les propriétés des atomes causées par les mouvements de l'appareil. Les avantages de cette technologie sont multiples. En utilisant des propriétés quantiques, la boussole peut offrir une précision bien supérieure à celle des accéléromètres conventionnels. De plus, parce qu'elle ne dépend pas de signaux externes comme le GPS, elle fonctionne de manière fiable dans des environnements où les systèmes de navigation traditionnels échouent, comme sous l'eau ou dans des tunnels souterrains.
Cette indépendance des signaux externes signifie que les utilisateurs peuvent avoir confiance en leur positionnement, sans craindre les interférences ou les pertes de signal. Cela pourrait révolutionner des domaines tels que la navigation maritime, les explorations souterraines et même les applications militaires où la fiabilité est cruciale. Les tests en laboratoire ont déjà montré que la boussole quantique peut fonctionner avec une grande précision. Cependant, pour que cette technologie devienne un outil pratique et fiable, elle doit être testée dans des conditions réelles. Dans le cadre de récents travaux, des chercheurs de l'Imperial College ont choisi de tester leur boussole quantique dans un endroit insolite mais idéal : le métro de Londres.
Les tunnels du métro offrent en effet un environnement parfait pour tester la fiabilité et la précision de la boussole quantique dans des conditions difficiles, similaires à celles qu'elle rencontrerait dans des applications réelles. La structure, avec ses nombreux virages, montées et descentes, fournit également un cadre complexe et varié pour les tests. En testant la boussole dans cet environnement, l'équipe peut alors identifier et résoudre les problèmes potentiels avant de développer un appareil portable et autonome. Les tests commencent par le transport de l'équipement dans les rames d'essai des voies du métro, pas dans les services de banlieue pour éviter les interférences avec les passagers. Une chambre à vide en acier inoxydable, contenant quelques milliards d'atomes de rubidium, est installée au cœur de la machine. Des lasers puissants refroidissent ces atomes à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu.
Dans ces conditions, les propriétés ondulatoires des atomes de rubidium sont affectées par l'accélération du véhicule qui transporte l'équipement. En mesurant ces changements infimes, l'équipe peut alors déterminer avec précision les mouvements de la boussole quantique. En testant cette technologie dans le métro de Londres, l'équipe de l'Imperial College espère prouver sa fiabilité et sa précision, ouvrant la voie à la création d'un dispositif portable et autonome capable de déterminer avec précision sa position dans des environnements complexes et éloignés. Les applications futures sont variées, de la navigation sous-marine à l'exploration spatiale.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
