[Reportage] Plongée dans la gravimétrie quantique du laboratoire Syrte

Une fois le porche franchi, les bruits de la ville s’atténuent rapidement. Avec ses jardins bien entretenus et ses bâtiments du XVIIe siècle, l’Observatoire de Paris est un havre de paix dans le 14e arrondissement. Et pourtant, pour les instruments hypersensibles du laboratoire Systèmes de référence temps-espace (Syrte), le vacarme urbain est encore bien perceptible. « Les rames du RER B passent en souterrain à moins de 20 mètres de nos expériences, et les lignes4 et 6 du métro sont également à proximité, soupire Arnaud Landragin, son directeur. Cela semble impensable, lorsque l’on sait que les vibrations et les champs magnétiques sont l’ennemi numéro un de nos mesures. »

Les chercheurs de cette unité mixte de recherche du CNRS, de l’Observatoire de Paris, de Sorbonne Université et du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), dédiée à la métrologie du temps et de l’espace, déploient des trésors d’ingéniosité pour maîtriser un environnement aussi « bruyant ». « Nous mettons peut-être un peu plus de temps à obtenir des résultats, mais ils gagnent en précision et en solidité », résume le directeur.

Travaux sur un gradiomètre de gravité quantique

Sur ce site, de nombreuses activités du Syrte ont été regroupées dans un long bâtiment à la charpente apparente, qui abritait à l’origine des écuries. Haut lieu de l’astronomie, l’Observatoire de Paris fut construit sous Louis XIV pour améliorer la précision des cartes. Une mission qui, dans une certaine mesure, a traversé les siècles, puisque le Syrte travaille depuis 2014 sur un instrument permettant à la fois la cartographie de la gravité terrestre et de son gradient.

Ces recherches sur un gradiomètre de gravité quantique – un équipement capable de relever les gradients de gravité à grande échelle, pouvant être embarqué dans un avion ou un satellite – bénéficient de l’apport technologique de Muquans, une deeptech spin-off du Syrte, rachetée en juin par le spécialiste de la photonique et du quantique iXblue. Les travaux sont menés par la division Interférométrie atomique et capteurs inertiels (IACI) au Syrte.

Un équipement plus simple et plus robuste grâce au transfert de technologie

Dans une pièce aux dimensions modestes règne un chaos organisé propre aux laboratoires de recherche. Un foisonnement de câbles et de fibres, des dizaines d’appareils de mesures empilés, des sources laser, des bancs optiques ouverts et paramétrables… Au fond, le gradiomètre : un parallélépipède métallique de 2,5 mètres de hauteur environ, connecté à de nombreux éléments, des « bricolages » réalisés par les chercheurs et des équipements au design plus abouti, certains signés Muquans.

Cet instrument est la prolongation des travaux, menés depuis 2002 par le laboratoire, sur la création du gravimètre quantique le plus précis du monde. Cette technologie permet de mesurer localement la gravité (g) à partir de la chute, dans une enceinte à vide d’atomes de rubidium refroidis au moyen d’un piège magnéto-optique. La mesure est réalisée en exploitant la dualité onde-corpuscule propre à la mécanique quantique [lire le cahier technique d’« Industrie & Technologies » n° 1043-1044]. Elle a fait l’objet d’un transfert de technologie en 2011 qui est à l’origine de Muquans. 

« Le gravimètre du Syrte est extrêmement performant, mais il demande beaucoup de connaissances et d’efforts de caractérisation », précise Sébastien Merlet, chercheur au IACI. « Il nécessite de maîtriser une douzaine de faisceaux laser pour refroidir le nuage d’atomes et effectuer la mesure, là où la technologie de Muquans n’en requiert qu’un seul. Le dispositif a gagné en simplicité et en robustesse. » Pour atteindre cette simplicité, Muquans a mis au point de nombreux composants, notamment pour la gestion des lasers à fibres. Juste retour des choses, ces avancées profitent désormais aux chercheurs pour leur gradiomètre de gravité.

Gagner du temps

« Le gradiomètre est une technologie similaire au gravimètre, mais elle demande une plus grande maîtrise du processus et des lasers employés, notamment pour pouvoir s’affranchir des vibrations afin d’être embarqué dans un véhicule en mouvement », souligne Sébastien Merlet. En effet, l’instrument repose sur deux gravimètres quantiques superposés, mais dont les atomes de rubidium sont contrôlés et « interrogés » par les mêmes sources laser. L’objectif est d’effectuer deux mesures simultanées de la gravité, à des hauteurs différentes mais selon un procédé rigoureusement identique. En faisant la différence entre ces mesures, l’impact du bruit environnant disparaît, ce qui permet d’utiliser cet instrument dans des environnements plus difficiles.

En utilisant certains équipements mis au point par Muquans sur le gradiomètre, les chercheurs peuvent ainsi travailler à partir de paramètres prédéfinis. « Cela nous fait gagner beaucoup de temps dans nos travaux. Nous n’avons plus besoin de reprendre les alignements des lasers tous les jours », met en avant Sébastien Merlet. Le partenariat avec la société est d’autant plus étroit que Muquans pourrait également bénéficier d’un transfert de technologie sur ce gradiomètre pour son industrialisation et la mise au point de nouveaux composants. Un véritable cercle vertueux, qui devrait faire émerger une nouvelle génération d’équipements innovants.