Une nouvelle ère de mesures quantiques
La métrologie est la branche de la science qui se consacre à la traçabilité, à l’exactitude et à la cohérence des mesures. Le Système international d’unités (SI) a traditionnellement établi les normes et définitions mondiales des unités physiques qui sont à la base de toutes ces mesures. Concrètement, cela signifie que depuis le 19e siècle, le kilogramme, ou le mètre, de référence sont conservés à Paris. Les étalons nationaux de métrologie ont ensuite été calibrés en fonction de ces normes.
Un étalon quantique universel pour les courants électriques
Le SI a toutefois été redéfini en 2019 en termes de constantes fondamentales de la nature. Cela signifie que de nombreuses unités de mesure ne doivent plus être réalisées à l’aide d’une méthode ou d’un dispositif spécifique. Cela a ouvert de nouvelles possibilités d’effectuer des mesures précises des courants électriques au niveau quantique, en trouvant et en confirmant des constantes fondamentales. Le projet QUANTUM E-LEAPS, financé par l’UE, s’était fié pour objectifs de faire progresser la métrologie quantique électrique en se concentrant sur un processus fondamental appelé glissements de phase quantiques cohérents (CQPS pour coherent quantum phase slips). Pour ce faire, le projet s’est penché sur les nanofils supraconducteurs, des fils dont le diamètre se mesure à l’échelle nanométrique. «Des portions de nanofils présentent des fluctuations d’énergie qui opposent instantanément une résistance au courant», explique le coordinateur du projet, Antti Kemppinen, du VTT, le centre de recherche technique de Finlande. «Nous voulions voir si ce phénomène, connu sous le nom de glissement de phase quantique, pouvait être utilisé comme norme quantique équivalente dynamique pour la tension.»
Norme actuelle intégrée basée sur le CQPS
Les scientifiques ont longtemps prévu que la physique serait la même que celle des jonctions de Josephson, la norme quantique actuelle de courant. L’équipe a pu démontrer qu’une norme basée sur le CQPS pouvait effectivement être intégrée dans les normes de tension existantes. «Nous avons trouvé des preuves du phénomène essentiel que nous recherchions», explique Antti Kemppinen. «Il s’agit toutefois de science fondamentale. Les travaux ont été axés sur l’amélioration de notre compréhension de la physique fondamentale.»
Simplifier les mesures électriques
L’objectif final, à long terme, de ces travaux est de concevoir un étalon de courant quantique basé sur cette constante fondamentale de la nature. L’avantage principal est la convivialité, induite par la simplification des mesures électriques. «Les systèmes mondiaux de navigation par satellite constituent un bon exemple de ce potentiel», ajoute Antti Kemppinen. «Il n’est pas nécessaire de calibrer les satellites de positionnement global, car ils sont basés sur une métrologie fondamentale, l’horloge atomique.» Les horloges atomiques mesurent le temps en suivant la fréquence de résonance des atomes et sont extrêmement précises. Elles peuvent envoyer des données de positionnement directement à un smartphone, sans qu’un scientifique n’ait besoin de régler ou d’utiliser ce téléphone. «Pour tout type de dispositif, la convivialité peut être aussi importante que la performance», fait remarquer Antti Kemppinen. «Considérez une voiture. Même si votre voiture est dotée d’un excellent accélérateur et qu’elle est techniquement remarquable, elle ne présente que peu d’avantages si vous ayez besoin d’un scientifique pour la conduire.» Les résultats du projet QUANTUM E-LEAPS ouvrent la voie à des étalons de courant quantique faciles à utiliser, qui pourraient simplifier les étalonnages métrologiques requis par l’industrie électronique. Cela pourrait trouver des applications directes dans le domaine en plein essor des technologies quantiques, qu’il s’agisse de la détection, de la communication ou de l’informatique quantiques.
Mots‑clés
QUANTUM E-LEAPS, quantique, électrique, métrologie, énergie, échelle nanométrique, CQPS
