Dans le cadre d’un nouvel institut des voies quantiques de la NASA composé d’une équipe de recherche multiuniversitaire, le professeur de génie électrique et informatique de l’UC Santa Barbara, Daniel Blumenthal, aidera à créer des technologies et des outils pour améliorer la mesure des facteurs climatiques importants en observant les atomes dans l’espace.
« Nous scrutons un univers que nous n’avons jamais exploré auparavant », a-t-il déclaré.
Dirigés par des collègues de l’Université du Texas (UT) à Austin, Blumenthal et les autres chercheurs se concentreront sur la détection quantique, qui consiste à observer comment les atomes réagissent à de petits changements dans leur environnement, en l’utilisant pour déduire les variations temporelles du champ de gravité. de la Terre. Cela permettra aux scientifiques d’améliorer la précision des mesures de plusieurs processus climatiques importants, tels que l’élévation du niveau de la mer, le taux de fonte des glaces, les changements dans les ressources en eau terrestres et les changements dans le stockage de la chaleur des océans.
« Il y a eu récemment d’énormes progrès dans les méthodes quantiques, principalement dans le contexte de l’informatique », a déclaré Srinivas Bettadpur, chef du nouveau projet et directeur du Center for Space Research de l’UT Austin. « Nous voulons utiliser la technologie de détection quantique dans l’espace – où vous pouvez observer l’intégralité de la planète – pour résoudre les problèmes de la prochaine génération en observant, en interprétant et en comprenant les processus climatiques. »
Le nouveau Quantum Pathways Institute comprend également des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder, du California Institute of Technology et du National Institute for Standards and Technology (NIST) des États-Unis.
Ce sera le premier effort pour établir ce que l’on appelle « Quantum 2.0 », c’est-à-dire aller au-delà des principes quantiques connus en physique et les traduire réellement en concepts d’appareils utilisables.
Les chercheurs se pencheront plus particulièrement sur les changements dans les forces gravitationnelles et ce qu’ils signifient pour le climat. À mesure que le climat change – avec la fonte des calottes glaciaires et le niveau de la mer et les températures changeant – il en va de même pour les forces gravitationnelles autour de la Terre et dans l’espace extra-atmosphérique. Les atomes en orbite autour de la Terre réagissent à ces changements gravitationnels. En mesurant ces réactions, les chercheurs peuvent donner de meilleures lectures des changements dans les processus climatiques.
Le défi pour l’équipe est double. Certaines parties de ces technologies de détection existent aujourd’hui, mais une grande partie de ce qu’elles construisent est nouvelle.
« Pour ce faire, nous devons prendre les lasers, la photonique, les modulateurs et l’électronique de contrôle qui constituent 90 % des expériences sur les atomes ici sur Terre, et travailler très dur pour obtenir toute cette précision sur de petites puces à faible puissance qui peut être déployé dans l’espace », a déclaré Blumenthal, une « personne laser » autoproclamée dont l’expertise en recherche réside dans la lumière visible et l’intégration photonique atomique et quantique ainsi que dans les technologies optiques et de communication.
L’une des technologies sur lesquelles il travaille pour aider à passer à l’échelle de la puce est la structure d’interféromètre à réseau agité de l’Institut développée à l’Université du Colorado. Ce type de capteur interféromètre atomique utilise de nombreux lasers et optiques pour refroidir et piéger les atomes afin de mesurer les gradients de gravité avec une sensibilité extrêmement élevée.
Ajoutez à cela le défi d’envoyer ces instruments en orbite.
« Vous ne pouvez pas avoir de maintenance manuelle dans l’espace – une fois que vous envoyez quelque chose, c’est hors de portée ; vous ne pouvez pas le voir », a déclaré Bettadpur. « Vous devez faire beaucoup de travail pour vous assurer que l’instrument volera et que la technologie fonctionnera pendant plusieurs années, au moins, pour permettre les découvertes. »
Pour construire cette technologie à partir de zéro et la rendre prête pour l’espace, il faut une équipe de chercheurs nombreuse et diversifiée. Bettadpur est un expert de la mécanique orbitale, des champs de gravité et de la conception de missions spatiales. Blumenthal travaillera avec ses collègues ingénieurs électriques et informatiques Seth Bank et Dan Wasserman à UT Austin pour développer les circuits intégrés photoniques (basés sur la lumière) pour les puces compactes afin de mesurer les petites variations de la gravité terrestre depuis l’espace. Ufuk Topcu, professeur agrégé au département d’ingénierie aérospatiale et mécanique de l’UT Austin, appliquera son expertise dans la modélisation de systèmes complexes pour développer des modèles de systèmes de détection quantique qui peuvent être utilisés pour améliorer leur fiabilité et leur fonctionnement autonome, qui sont tous deux essentiels pour applications spatiales où la maintenance de l’appareil n’est pas une option.
Les autres membres de l’équipe comprennent Dana Anderson, experte en physique quantique expérimentale et en instrumentation; Penina Axelrad, experte en navigation et chronométrage quantiques ; Murray Holland, physique théorique et apprentissage automatique quantique ; et Marco Nicotra, contrôle optique quantique, de l’Université du Colorado, Boulder. De Caltech, l’expert en systèmes, vols spatiaux et sciences de la gravité Michael Watkins fait également partie du groupe. Michelle Stephens, physicienne et experte en mesure de précision pour les applications spatiales et quantiques, vient du NIST.
Au-delà de la détection de la gravité pour résoudre les problèmes climatiques de la Terre, Blumenthal voit que cette technologie de mesure gravitationnelle basée dans l’espace extrêmement sensible pourrait éventuellement être déployée pour d’autres applications terrestres ainsi qu’à des fins d’exploration spatiale future.
« Cela pourrait être sur la Station spatiale ou sur des satellites géostationnaires », a-t-il déclaré. « Ou ils pourraient être envoyés sur Jupiter, Vénus ou Mars pour cartographier la gravité de ces planètes. »