Jennifer Choy fabrique des antennes de la taille d’un atome. Ils n’ont aucune ressemblance avec la tige télescopique qui transmet les tubes pop à travers une chaîne stéréo portable. Mais fonctionnellement, ils sont similaires. Ce sont des capteurs quantiques, captant de minuscules signaux électromagnétiques et les relayant d’une manière que nous pouvons mesurer.
Comment petit un signal? Un capteur quantique pourrait discerner les changements de température dans une seule cellule de tissu humain ou même des champs magnétiques provenant du noyau terrestre.
Jennifer Choy, scientifique à l’Université du Wisconsin-Madison, développe des technologies qui pourraient conduire à des accéléromètres et des magnétomètres ultraprécis pour la navigation et pour sonder de minuscules changements dans les champs électromagnétiques d’un matériau.
« Vous pouvez considérer ces capteurs quantiques comme une sonde à l’échelle atomique qui vous permet d’être sensible et de mesurer des changements vraiment localisés dans les champs magnétiques », a déclaré Choy. « Et vous pouvez étendre vos mesures pour sonder les caractéristiques magnétiques macroscopiques et d’autres paramètres physiques comme la contrainte mécanique et la température. »
Tirant parti de la nature quantique des atomes – qui ne se révèle qu’aux plus petites échelles de la nature – et de leur sensibilité aux perturbations externes, ces capteurs présentent une exactitude et une précision extraordinaires, faisant ressembler leurs homologues traditionnels à des instruments émoussés en comparaison.
Pour Choy, le défi consiste à accroître l’efficacité avec laquelle ces instruments invisibles transmettent l’information. La recherche est à parts égales découverte de la physique et ingénierie, dit-elle.
« Je trouve le travail passionnant car il correspond bien au type de formation méli-mélo que j’ai eue », a déclaré Choy, qui est membre à la fois de Q-NEXT, un centre de recherche national sur les sciences de l’information quantique du département américain de l’énergie (DOE). par le laboratoire national d’Argonne du DOE et le Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks, ou HQAN, de la National Science Foundation. « Je suis un physicien appliqué de formation, et je ne me considère pas uniquement comme un physicien ou un ingénieur. Mais j’apprécie vraiment cette intersection de la science fondamentale et du travail d’ingénierie. »
Lumière et matière
Choy travaille sur des capteurs quantiques dans lesquels les électrons des matériaux quantiques jouent le rôle d’antenne. Les informations qu’ils captent peuvent être lues à travers leurs interactions avec les photons, les particules sans masse qui transportent les informations électromagnétiques.
Plus la poignée de main entre l’électron et le photon est ferme, plus la transmission est claire.
Lorsque l’électron reçoit un signal particulier, il absorbe l’énergie du photon. Chup ! L’électron sous tension monte à un échelon supérieur sur l’échelle de l’énergie atomique. Quand vient le temps de dissiper l’énergie, l’électron tombe de cet échelon supérieur vers le sol – thwop ! – et l’énergie refoulée est libérée sous forme de photon d’une couleur particulière.
Les scientifiques lisent la lumière, mesurent ses propriétés, telles que l’intensité et la longueur d’onde, pour interpréter le signal d’origine.
Centres de couleur
En tant que membre de Q-NEXT, Choy conçoit des capteurs qui prennent la forme de trous de la taille d’un atome dans un diamant créés par l’élimination d’atomes de carbone individuels. La lacune et un atome adjacent piègent ensemble une paire d’électrons – l’antenne atomique – des atomes voisins.
L’énergie absorbée par l’électron donne au matériau une teinte particulière, c’est pourquoi ces capteurs basés sur les lacunes sont souvent appelés centres de couleur.
Les énergies des électrons piégés sont particulièrement sensibles aux changements à proximité du champ magnétique, de la température et de la contrainte. Cependant, leur sensibilité les rend également sensibles à d’autres facteurs environnementaux qui peuvent dégrader les performances de mesure. C’est pourquoi l’ingénierie des centres de couleur est un exercice d’équilibre délicat : s’assurer que les électrons répondent fortement à la cible de détection d’une part tout en minimisant leurs réponses au bruit de fond indésirable d’autre part.
Choy étudie les processus de croissance des matériaux et les techniques de caractérisation pour obtenir les meilleures performances possibles des centres de couleur.
Elle conçoit également des structures qui pourraient canaliser efficacement les photons dans et hors de ces centres de couleur, améliorant ainsi la capacité du capteur à la fois à collecter des signaux et à émettre de la lumière. Plus l’électron peut absorber et émettre de photons rapidement et rapidement, plus le signal est fort.
Tout comme une vidéo claire et sans décalage rend l’expérience Zoom plus agréable, une transmission de signal claire et sans décalage crée un capteur quantique plus utile.
Les différentes structures photoniques qui peuvent être réalisées dans le diamant sonnent comme des jouets de bricolage sophistiqués à l’échelle de l’atome : les nanofils ; de minuscules résonateurs métalliques appliqués près de la vacance ; une couche de silicium spécialement conçue ajoutée au-dessus du diamant.
Chacune de ces merveilles architecturales vise à faciliter la poignée de main électron-photon.
« L’utilisation des centres de couleur pour la détection s’est étendue à des directions aussi variées que la biodétection, les études sur la matière condensée et la détection de la matière noire au cours de la dernière décennie, et c’est toujours un domaine riche en recherche fondamentale et appliquée », a déclaré Choy.
Un ensemble quantique
En tant que membre de HQAN, Choy développe une classe différente de dispositifs quantiques appelés métamatériaux quantiques.
Les métamatériaux quantiques reposent sur un ensemble d’atomes étroitement emballés et émetteurs de photons. Ces émetteurs quantiques peuvent être des atomes neutres, des atomes chargés ou des systèmes tels que des centres de couleur.
Ils présentent un comportement collectif lorsqu’ils interagissent avec un mode de lumière commun. Choy et ses collaborateurs travaillent à positionner avec précision les centres de couleur des métamatériaux et à adapter leurs propriétés de manière à ce que les émetteurs voisins deviennent indiscernables les uns des autres, se comportant comme une seule unité.
« Les émetteurs se comportent collectivement. Cela nous permet de contrôler la vitesse à laquelle ils émettent des photons, avec beaucoup plus de contrôle que lorsqu’ils sont isolés », a déclaré Choy. « Il n’y a plus de fonctionnalités individuelles. »
Avec des atomes émetteurs de photons travaillant en coopération, un capteur quantique pourrait envoyer un signal unifié plus fort, amplifié, qui répond à un seul photon entrant.
« Nous nous intéressons aux métamatériaux quantiques en tant que moyen d’améliorer et de contrôler considérablement l’interaction lumière-matière avec les systèmes quantiques », a déclaré Choy. « Cela peut permettre de concevoir une réponse optique collective basée sur un état quantique ainsi que d’étendre la plage d’interaction entre les systèmes quantiques. »
Poursuite des applications dans le quantique
L’intérêt de Choy pour la détection quantique a commencé lorsqu’elle était étudiante diplômée à Harvard, où elle a obtenu une maîtrise et un doctorat en physique appliquée. Elle a travaillé dans le laboratoire de Marko Loncar pour développer des dispositifs photoniques à base de diamant.
« Après mes études supérieures, j’ai réalisé que j’aimais vraiment le travail pratique et que je voulais en faire plus. Mais je voulais aussi mieux comprendre comment la recherche que je fais peut faire avancer les applications pratiques », a-t-elle déclaré.
Elle est donc allée travailler chez Draper Lab en 2013, une organisation à but non lucratif à Cambridge, Massachusetts. Là, elle a fait des recherches sur la détection quantique pour développer des accéléromètres de précision, des gyroscopes et des horloges atomiques.
« L’horloge atomique, qui sert de base à la définition de la seconde et est utilisée par les satellites de la constellation GPS, est un exemple où une technologie quantique a complètement changé nos vies », a-t-elle déclaré. « Nous voulons maintenant explorer d’autres applications transformatrices des capteurs quantiques, dont certaines nécessitent des solutions d’ingénierie afin de maintenir leurs meilleures performances en dehors du laboratoire. »
En 2019, Choy a rejoint la faculté de l’Université du Wisconsin à Madison, où elle continue de faire progresser les performances des capteurs quantiques et de promouvoir l’éducation quantique et le développement de la main-d’œuvre.
« La science et l’ingénierie quantiques sont un domaine qui peut faire progresser la compréhension fondamentale et créer des technologies habilitantes pour de nombreuses disciplines de la science et de l’ingénierie. C’est formidable pour fournir à la prochaine génération de scientifiques et d’ingénieurs une formation complète et multidisciplinaire », a-t-elle déclaré. « Les appareils compatibles Quantum ont à la fois des applications à court terme et des promesses à plus long terme. Ce spectre complet d’avoir à la fois des progrès à court terme très tangibles et une vision percutante à long terme est passionnant. »