Opération CIEDS 2025 : la physique quantique au service de la défense
La physique quantique au laboratoire LOA
Au sein du Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) de l’ENSTA, de l’École polytechnique et du CNRS, le physicien Davide Boschetto et son équipe étudient la dynamique ultra-rapide dans des matériaux à l’aide de systèmes laser. Ces systèmes utilisent des impulsions laser ultracourtes, offrant une résolution temporelle de l’ordre de la dizaine de femtosecondes (1 femtoseconde = 10⁻¹⁵ secondes, soit un millionième de milliardième de seconde). Une telle résolution temporelle permet de voir, à l’échelle des atomes, comment bougent les électrons et les atomes eux-mêmes, et de comprendre les mécanismes élémentaires qui provoquent des changements d’état de la matière – par exemple quand un solide fond ou, inversement, quand un liquide se solidifie. Ces études peuvent être réalisées sur tout type de matériaux. Entre autres, ils travaillent actuellement sur des matériaux quantiques qui ont un fort intérêt technologique.
Depuis quelques années, les scientifiques, et notamment la doctorante Amélie Kies financée par l’Agence de l’innovation de défense (AID), via le Centre Interdisciplinaire d’Études pour la Défense et la Sécurité (CIEDS), étudient des défauts localisés dans le diamant, où l’organisation des atomes dans la structure régulière du cristal est différente. Un de ces défauts apparaît lorsqu’un atome d’azote prend la place d’un atome de carbone dans la structure régulière du diamant, tandis qu’un emplacement voisin reste vide ; cela crée alors un « trou » dans le réseau d’atomes. « Ces défauts du diamant sont appelés centres NV », explique Amélie Kies.
Ils présentent des propriétés optiques remarquables, que la doctorante cherche à mieux comprendre en étudiant, avec une résolution temporelle de l'ordre de la femtoseconde, les mécanismes fondamentaux qui gouvernent leur dynamique.
Une possible application de sa thèse est la conception d’un magnétomètre exploitant les centres NV du diamant, capable de mesurer des champs magnétiques avec une sensibilité supérieure à celle des dispositifs existants, et ce à température ambiante.
Des travaux aux applications militaires et civiles
Les travaux menés au sein de l’équipe Quantum du LOA peuvent avoir des retombées dans les domaines militaire et civil.
Les magnétomètres à centres NV visent à mesurer directement le champ magnétique ambiant avec une très haute sensibilité. Une application potentielle est l’élaboration de cartes magnétiques de zones terrestres ou marines, utiles par exemple pour la navigation en l’absence de signal GPS. Ces cartes sont établies en réalisant des mesures vectorielles du champ magnétique en différents points d’une région.
Le champ terrestre moyen y est typiquement de l’ordre de 40 μT, mais il présente des variations locales — appelées anomalies magnétiques — dues à des hétérogénéités géologiques ou à la présence d’objets métalliques.
Lorsqu’un objet, comme une mine ou un gros débris métallique, perturbe le champ magnétique terrestre, il induit une anomalie dont l’amplitude mesurée dépend fortement de sa nature et de la distance d’observation. Plus la sensibilité du magnétomètre est élevée, plus il devient possible de détecter ces anomalies à grande distance de la source. Pour les déceler, les scientifiques doivent obtenir une résolution de l’ordre du nanotesla, voire du picotesla, ce qui impose un bruit de fond instrumental extrêmement faible. Les magnétomètres à centres NV, sensibles et fonctionnant à température ambiante, pourraient à terme contribuer à ce type de détection dans des scénarios spécifiques, en complément d’autres types de magnétomètres (SQUID, pompage optique).
Les centres NV dans le diamant présentent également un intérêt potentiel pour des applications biomédicales. Certaines nanoparticules magnétiques peuvent être utilisées comme agents de contraste pour repérer des tissus anormaux. En présence d’un magnétomètre suffisamment sensible, il devient envisageable de détecter indirectement la présence de cellules cancéreuses, si ces dernières sont ciblées par des nanoparticules spécifiques. Toutefois, la signature magnétique de ces particules est extrêmement faible, ce qui rend leur détection très délicate. Des capteurs à haute sensibilité, tels que ceux basés sur les centres NV, pourraient offrir une voie de développement pour ce type de détection.
Pionniers de la formation en physique quantique
Davide Boschetto et Amélie Kies n’œuvrent pas exclusivement dans le milieu de la recherche, mais sont également fortement impliqués dans la formation en physique quantique. Davide Boschetto fut le premier à créer un cours francophone en ligne (MOOC) sur la physique quantique et le huitième au niveau international.
« L’idée de rendre la physique quantique accessible au plus grand nombre est la principale raison qui m’a poussé à me lancer dans cette aventure », déclare Davide Boschetto. Le professeur a également voulu que ce MOOC soit gratuit, afin de susciter l’intérêt d’un large public. La formation créée par Davide Boschetto ne se substitue pas aux cours dispensés au sein des écoles ou des universités, mais constitue un complément de cours qui peut être utilisé par l’enseignant et les élèves. Elle compte plus de 100000 inscrits depuis sa création.
Amélie Kies, elle, a initié des démarches pour la création d’un double diplôme en physique quantique à l'ENSEA. Dès le lycée, Amélie Kies avait le désir de se spécialiser en physique quantique. Après être passée par les classes préparatoires des Lazaristes puis Fénelon Sainte-Marie, elle a intégré l’ENSEA, pour y étudier les télécommunications, un domaine dans lequel la physique quantique joue un rôle fondamental. Pour sa troisième année de cycle ingénieur, elle a souhaité obtenir un double diplôme dans ce domaine. « J’ai alors créé un partenariat entre l’ENSEA et le master de physique quantique QLMN. » Grâce notamment à ce double diplôme, Amélie a pu acquérir toutes les compétences nécessaires pour débuter une thèse avec Davide Boschetto, il y a maintenant trois ans.
La thèse d’Amélie Kies est financée par l’AID via le CIEDS, dans le cadre du projet MAGNETOQUANT.
Impacts sur la défense à Opération CIEDS 2025
Le jeudi 3 juillet 2025 à Opération CIEDS 2025, participez à la journée dédiée à la défense et la sécurité ! Venez assister à la table ronde « La deuxième révolution quantique, impacts sur la défense », au cours de laquelle nous aurons l’honneur d’accueillir :
- Romain Alléaume, Chercheur au Laboratoire LTCI (Télécom Paris)
- Frédéric Barbaresco, KTD PPC Sensing Segment Leader à Thales
- Landry Bretheau, Chercheur au Laboratoire PMC (École polytechnique)
- Amélie Kies, Doctorante au Laboratoire LOA (ENSTA)
- Sylvie Paolacci-Riera, Responsable innovation photonique – quantique à l’AID
- Andrea Simonetto, Chercheur au Laboratoire U2IS (ENSTA)
Le modérateur de cette table ronde sera Kees Van Der Beek, Directeur de la recherche à l’École polytechnique.
François Plais, Directeur des opération du CIEDS, énonce que :
Les technologies quantiques sont susceptibles de rendre « l'invisible perceptible et l'imprévisible prédictible », d’après le ministre dans ses vœux aux Armées pour 2025. Avec cette table ronde au programme d’Opération CIEDS 2025, le CIEDS met un focus particulier sur les technologies quantiques à fort impact pour la défense.