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France and the CNRS set sights on quantum

Medicine, civil engineering, telecommunications, artificial intelligence, etc. These are the areas that quantum mechanics could revolutionise in the coming years.

Cat-Qubits chip prototype
Cat-Qubits chip prototype

© Hubert RAGUET / Alice&Bob / LPENS / CNRS Images

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The world's most powerful computers and supercomputers may soon be completely overtaken by a new generation of machines with extraordinary computing power, while incredibly accurate and sensitive quantum sensors could also expand the frontiers of what is possible in many different fields.

This emerging technological revolution is based on the laws of quantum mechanics, one of the greatest advances in physics of the 20th century. This theory describes phenomena at the scale of atoms, and allows a particle, atom or molecule to exist in different states simultaneously. France is proud of its historical achievements in this area, with several Nobel Prize and CNRS Gold Medal winners who have made significant advances in the field. This is precisely because France intends to maintain its position among the fierce international competition, that the government is launching a major Quantum Plan aimed at research, training and above all industry. All disciplines are involved in this national effort.

It is the perfect opportunity to immerse yourself in this mysterious world, where everything happens on an infinitely small scale, through our photo and video reports.

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Réglage de l’injection d'une fibre à cristal photonique par un laser femtoseconde (ultrarapide). Les différentes couleurs du laser (partie visible du spectre) sont séparées en passant à travers un prisme à la sortie de cette fibre. Il est ainsi possible d'observer les couleurs du laser grâce à leur projection sur un écran. Expérience de métrologie quantique avec des peignes de fréquences.

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Réglage de l’injection d'une fibre à cristal photonique par un laser femtoseconde
20090001_0673
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Cartographie d'un "chat de Schrödinger". De la lumière a été piégée dans une "boite à photons" (une cavité résonante micro-onde) pendant un temps assez long pour en déterminer l'état quantique. Sur cet état "chat de Schrödinger", on observe deux pics positifs correspondant aux composantes classiques du "chat" et, entre elles, une structure d'interférence oscillante, avec des valeurs négatives typiques d'un état non classique (en bleu). En observant l'évolution de cet état, on peut "disséquer"…

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Cartographie d'un "chat de Schrödinger". De la lumière a été piégée dans une "boite à photons" (une
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Installation d'une puce supraconductrice dans son porte échantillon (circuit imprimé) et vérification de l'alignement des connecteurs. Ce prototype de puce Cat-Qubits est mis au point par la start-up Alice & Bob qui développe un ordinateur quantique à Qubits à auto-correction (appelé Cat-Qubits). Le qubit est l’unité de stockage de l’information qui indique la force de calcul des ordinateurs quantiques. Alice & Bob a été cofondée en février 2020 par Théau Peronnin, président, issu du…

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Installation d'une puce supraconductrice dans son porte échantillon (circuit imprimé)
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Réglage de la forme spatiale d'un faisceau laser bleu de pompe. Il est utilisé pour le processus non-linéaire en cavité produisant des états quantiques. Un laser femtoseconde (ultrarapide) est composé d’une multitude de raies fines et régulières de fréquence temporelle (couleurs), comme un peigne. Ses raies sont utilisées comme canaux pour propager la lumière dans différents états quantiques. L’objectif est d‘augmenter les possibilités de calcul et de transmission de l’information, et d…

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Réglage de la forme spatiale d'un faisceau laser bleu de pompe
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Réglage d'un prisme et observation des différentes couleurs du laser (partie visible du spectre) qui sont séparées en passant à travers ce prisme, en sortie d’une fibre photonique. Il est ainsi possible d'observer les couleurs du laser grâce à leur projection sur un écran. Un laser ultrarapide est composé d’une multitude de raies fines et régulières de fréquence temporelle (couleurs), comme un peigne. Celui-ci peut être utilisé comme une règle très précise. Expérience de métrologie quantique…

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Réglage d'un prisme et observation des différentes couleurs du laser
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Table optique servant à caractériser et à sélectionner les nanotubes de carbone qui seront ensuite intégrés dans un processeur utilisé pour développer un ordinateur quantique. La start-up C12 Quantum Electronics, cofondée en janvier 2020 par Matthieu et Pierre Desjardins, développe des processeurs quantiques de haute fidélité, grâce à un matériau élémentaire, le nanotube de carbone. Ce matériau ayant une interface minimale avec son environnement, le qubit de ce processeur a une probabilité très…

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Table optique servant à caractériser les nanotubes de carbone
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Observation des différentes couleurs du laser (partie visible du spectre) qui sont séparées en passant à travers un prisme, en sortie d’une fibre photonique. Il est possible d'observer ces couleurs grâce à leur dispersion sur le prisme et à la projection sur un écran. Un laser ultrarapide est composé d’une multitude de raies fines et régulières de fréquence temporelle (couleurs), comme un peigne. Celui-ci peut être utilisé comme une règle très précise. Expérience de métrologie quantique avec…

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Observation des différentes couleurs du laser (partie visible du spectre)
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Chambre d'ultravide dans laquelle sont refroidis des atomes de dysprosium. Un jet atomique est ralenti au moyen de la pression de radiation exercée par un laser résonnant sur une transition atomique dans le bleu. Les atomes sont ensuite pris dans un piège magnéto-optique utilisant des lasers proches d'une transition optique dans le rouge. Les scientifiques essaient dans cette expérience de créer les conditions de formation de particules exotiques, c’est-à-dire peu connues, les particules de…

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Chambre d'ultravide dans laquelle sont refroidis des atomes de dysprosium.
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Réglage en fréquence d'un laser rouge, obtenu par somme de fréquence de deux lasers infrarouges. Ce laser est utilisé pour le piégeage laser des atomes de dysprosium. Les scientifiques essaient dans cette expérience de créer les conditions de formation de particules exotiques, c’est-à-dire peu connues, les particules de Majorana. Pour cela, ils refroidissent des atomes de dysprosium, un métal à la structure électronique riche. Ces recherches pourraient être utilisées pour concevoir un futur…

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Réglage en fréquence d'un laser rouge, obtenu par somme de fréquence de deux lasers infrarouges
20160010_0023
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Eléments optiques utilisés pour séparer et mettre en forme des faisceaux lasers qui permettront de refroidir et d’observer des atomes de dysprosium. Les scientifiques étudient l'influence des interactions entre moments magnétiques du dysprosium sur la condensation de Bose-Einstein et la superfluidité. Ils s'intéressent également à la génération de champs de jauge artificiels dans ces gaz atomiques, en vue de créer une phase superfluide topologique. Ils s'attendent à trouver dans ce système des…

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Eléments optiques utilisés pour séparer et mettre en forme des faisceaux lasers
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Expérience de spectroscopie à haute résolution de l'atome d'hydrogène : au premier plan, la source d'hydrogène (décharge rose). En arrière-plan, le laser d'excitation. La lumière laser envoyée sur un atome d’hydrogène permet de mesurer sa structure. La comparaison entre cette mesure et sa valeur théorique contribuera à déterminer des constantes fondamentales. C’est sur de telles constantes que s’appuiera en 2018 la redéfinition de quatre unités du système international : le kilogramme, le…

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Expérience de spectroscopie à haute résolution de l'atome d'hydrogène
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Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures, proches du zéro absolu. Comme l'électron, un des isotopes présent dans ces vapeurs est un fermion. L'expérience permet d'étudier les gaz de fermions ultrafroids, dont les étonnantes propriétés ne s’expliquent que grâce à la mécanique quantique. Les scientifiques les étudient pour comprendre une grande variété de systèmes, qui vont des métaux aux étoiles à neutrons.

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Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience refroidissant des vapeurs de lithium
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Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures, proches du zéro absolu. Comme l'électron, un des isotopes présent dans ces vapeurs est un fermion. L'expérience permet d'étudier les gaz de fermions ultrafroids, dont les étonnantes propriétés ne s’expliquent que grâce à la mécanique quantique. Les scientifiques les étudient pour comprendre une grande variété de systèmes, qui vont des métaux aux étoiles à neutrons.

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Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience refroidissant des vapeurs de lithium
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Réglage d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures, proches du zéro absolu. Comme l'électron, un des isotopes présent dans ces vapeurs est un fermion. L'expérience permet d'étudier les gaz de fermions ultrafroids, dont les étonnantes propriétés ne s’expliquent que grâce à la mécanique quantique. Les scientifiques les étudient pour comprendre une grande variété de systèmes, qui vont des métaux aux étoiles à neutrons.

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Réglage d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures
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Réglage d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures, proches du zéro absolu. Comme l'électron, un des isotopes présent dans ces vapeurs est un fermion. L'expérience permet d'étudier les gaz de fermions ultrafroids, dont les étonnantes propriétés ne s’expliquent que grâce à la mécanique quantique. Les scientifiques les étudient pour comprendre une grande variété de systèmes, qui vont des métaux aux étoiles à neutrons.

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Réglage d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures
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Expérience d’optique quantique, dans laquelle un chercheur observe comment la lumière traverse la matière. Il peut s'agir de milieux complexes comme de la peinture ou un tissu biologique. C'est un dispositif de génération de paires de photons indiscernables, qui seront ensuite envoyées dans une fibre multimode. L'objectif à long terme est de faire évoluer les techniques d'imagerie médicale ou le transfert d'information.

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Expérience d’optique quantique permettant d'observer comment la lumière traverse la matière
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Expérience d’optique quantique, dans laquelle un chercheur observe comment la lumière traverse la matière. Il peut s'agir de milieux complexes comme de la peinture ou un tissu biologique. C'est un dispositif de génération de paires de photons indiscernables, qui seront ensuite envoyées dans une fibre multimode. L'objectif à long terme est de faire évoluer les techniques d'imagerie médicale ou le transfert d'information.

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Expérience d’optique quantique permettant d'observer comment la lumière traverse la matière
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Expérience d’optique quantique, dans laquelle un chercheur observe comment la lumière traverse la matière. Il peut s'agir de milieux complexes comme de la peinture ou un tissu biologique. C'est un dispositif de génération de paires de photons indiscernables, qui seront ensuite envoyées dans une fibre multimode. L'objectif à long terme est de faire évoluer les techniques d'imagerie médicale ou le transfert d'information.

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Expérience d’optique quantique permettant d'observer comment la lumière traverse la matière
20090001_0670
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Cavité résonante micro-onde ("boîte à photons") à moitié montée. Seul le miroir supraconducteur inférieur est visible à l'image. Les photons micro-ondes se réfléchissent entre les deux miroirs supraconducteurs se faisant face et formant une cavité. Les quatre tiges servent à l'assemblage, elles sont entourées par quatre éléments piézoélectriques utilisés pour régler la distance entre les miroirs de la cavité. Ce dispositif permet de réaliser des expériences fondamentales de physique quantique.

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Cavité résonante micro-onde ("boîte à photons") à moitié montée. Seul le miroir supraconducteur infé
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Les deux miroirs supraconducteurs de la "boîte à photons" de l'Ecole Normale supérieure, dans laquelle les scientifiques ont enregistré la vie et la mort d'un photon unique. Ces miroirs sont en cuivre et recouverts par une mince couche de niobium. Ils sont refroidis à une température proche du zéro absolu. Cette expérience fait partie de la recherche fondamentale en physique quantique.

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Les deux miroirs supraconducteurs de la "boîte à photons" de l'Ecole Normale supérieure, dans laquel
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French physicist Serge Haroche has been awarded the 2012 Nobel Prize in Physics, jointly with US physicist David J. Wineland. The prize rewards their work on quantum optics and "groundbreaking experimental methods" for measuring and manipulating individual quantum systems. Serge Haroche, here with Igor Dotsenko, is the recipient of the 2009 CNRS Gold Medal, the highest French scientific award. He is a specialist in atomic physics and quantum optics. He is one of the founders of cavity quantum…

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French physicist Serge Haroche with Igor Dotsenko
20130001_1196
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Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel, utilisé à la fois comme outil d'observation et de fabrication à l'échelle nanométrique. Le faisceau d'électrons permet en effet de visualiser des circuits nanométriques mais aussi d'écrire directement sur un échantillon recouvert de résine électro-sensible. Des circuits dédiés à la physique fondamentale, à l'information quantique, sont ainsi fabriqués puis caractérisés dans ce même équipement.

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Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel
20130001_1198
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Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel, utilisé à la fois comme outil d'observation et de fabrication à l'échelle nanométrique. Le faisceau d'électrons permet en effet de visualiser des circuits nanométriques mais aussi d'écrire directement sur un échantillon recouvert de résine électro-sensible. Des circuits dédiés à la physique fondamentale, à l'information quantique, sont ainsi fabriqués puis caractérisés dans ce même équipement.

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Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel
20180055_0021
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Réglage des miroirs de l'expérience BIARO au cours de laquelle une cavité optique à haute finesse est utilisée pour piéger et manipuler des atomes de rubidium froids et ultrafroids (température inférieure à 1 microkelvin). Il s'agit d'une expérience d'électrodynamique quantique en cavité (QED) dans laquelle est réalisée une transition de phase : des atomes froids passent à un condensat de Bose-Einstein. L'objectif est de réaliser des mesures quantiques avec une précision supérieure à celle…

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Réglage des miroirs de BIARO une expérience d'atomes de rubidium froids et ultrafroids
20180055_0022
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Montage optique au sein de l'expérience BIARO au cours de laquelle une cavité optique à haute finesse est utilisée pour piéger et manipuler des atomes de rubidium froids et ultrafroids (température inférieure à 1 microkelvin). Il s'agit d'une expérience d'électrodynamique quantique en cavité (QED) dans laquelle est réalisée une transition de phase : des atomes froids passent à un condensat de Bose-Einstein. L'objectif est de réaliser des mesures quantiques avec une précision supérieure à celle…

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Montage optique au sein de BIARO une expérience d'atomes de rubidium froids et ultrafroids
20180069_0116
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Interféromètre à atomes de l’expérience MIGA, dont l'objectif est de développer un nouveau type de détecteurs d’ondes gravitationnelles basé sur l’interférométrie atomique. Un banc optique permet de créer les faisceaux laser ralentissant les atomes qui sont ensuite lancés à la verticale dans une enceinte à vide, et effectuent un vol balistique, au cours duquel la mesure de gravité est réalisée. Afin de le protéger des vibrations, ce dispositif sera, à terme, installé dans un laboratoire…

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Interféromètre à atomes de l’expérience MIGA
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Piège magnéto-optique à deux dimensions permettant de refroidir un jet d'atomes de rubidium dans l'expérience MIGA, dont l'objectif est de développer un nouveau type de détecteurs d’ondes gravitationnelles basé sur l’interférométrie atomique. Un banc optique permet de créer les faisceaux laser ralentissant les atomes qui sont ensuite lancés à la verticale dans une enceinte à vide, et effectuent un vol balistique, au cours duquel la mesure de gravité est réalisée. Afin de le protéger des…

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Piège magnéto-optique à deux dimensions de l'expérience MIGA
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Vérification de l'asservissement en phase de deux lasers au moyen d'un analyseur de spectre pour l'expérience MIGA, dont l'objectif est de développer un nouveau type de détecteurs d’ondes gravitationnelles basé sur l’interférométrie atomique. Un banc optique permet de créer les faisceaux laser ralentissant les atomes qui sont ensuite lancés à la verticale dans une enceinte à vide, et effectuent un vol balistique, au cours duquel la mesure de gravité est réalisée. Afin de le protéger des…

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Vérification de l'asservissement en phase de deux lasers de l'expérience MIGA
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Prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude. Deux accéléromètres atomiques, permettant de mesurer l’accélération d’atomes en chute libre, sont placés au sommet et à la base de l'installation. La variation d’accélération, ou gradiant, est obtenue en calculant la différence entre ces deux mesures. Une plateforme d’isolation sous le dispositif réduit les bruits de vibration qui limitent la sensibilité de la…

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Prototype de gradiomètre
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Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude. Ce gradiomètre comprend deux accéléromètres atomiques placés à deux hauteurs différentes : celui qui est visible ici et un second en bas de l'installation, afin de mesurer l’accélération d’atomes en chute libre. La variation d’accélération, ou gradiant, est obtenue en calculant la différence entre ces deux mesures. Une plateforme d…

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Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre
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Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude. Deux accéléromètres atomiques, permettant de mesurer l’accélération d’atomes en chute libre, sont placés au sommet et à la base de l'installation. La variation d’accélération, ou gradiant, est obtenue en calculant la différence entre ces deux mesures. Une plateforme d’isolation sous le dispositif réduit les bruits de vibration qui limitent…

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Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre
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Installation des faisceaux laser du gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip (de l’anglais Gyrometer on an Atom Chip), élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes. Ces faisceaux vont scinder en deux un nuage d'atomes et superposer les deux nuages obtenus, qui vont se propager à une vitesse très précise sur deux chemins opposés, selon une architecture en cercle. Si le véhicule équipé de ce gyromètre tourne autour de l'axe…

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Installation des faisceaux laser du gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip
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Gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip (de l’anglais Gyrometer on an Atom Chip), élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes. A partir d'un nuage d'atomes scindé en deux, un interféromètre superpose les deux nuages obtenus, qui vont se propager à une vitesse très précise sur deux chemins opposés, selon une architecture en cercle. Si le véhicule équipé de ce gyromètre tourne autour de l'axe perpendiculaire au plan de ce…

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Gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip
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Microcircuit à atomes, noyau d’environ 25 cm² du gyromètre GyrAChip (de l’anglais Gyrometer on an Atom Chip), élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes. A partir d'un nuage d'atomes scindé en deux, un interféromètre superpose les deux nuages obtenus, qui vont se propager à une vitesse très précise sur deux chemins opposés, selon une architecture en cercle (créé par l'architecture de fils microfabriqués de ce microcircuit). Si le…

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Microcircuit à atomes du gyromètre GyrAChip
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Open media modal

Réglages du banc optique d’un gyromètre à atomes froids pour la mesure de vitesse de rotation. Ce banc génère différents lasers destinés à refroidir un nuage d’atomes, à le projeter à la verticale dans le gyromètre, en un vol balistique, au cours duquel ces atomes vont être interrogés pour réaliser de l’interférométrie atomique. Des boucliers magnétiques protègent l’installation des champs magnétiques extérieurs et une plateforme flottante l’isole autant que possible des vibrations du sol. Des…

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Réglages du banc optique du gyromètre à atomes froids pour la mesure de vitesses de rotation

CNRS Images,

Our work is guided by the way scientists question the world around them and we translate their research into images to help people to understand the world better and to awaken their curiosity and wonderment.