La Station spatiale internationale a récemment lancé le laboratoire Cold Atom Lab amélioré de la NASA. Cette plateforme d’expérimentation quantique orbitale utilise un environnement de microgravité pour refroidir les atomes jusqu’à un niveau proche du zéro absolu. Il est utilisé pour étudier un état particulier de la matière appelé condensat de Bose-Einstein (BEC) et jeter les bases d’une nouvelle génération de technologie quantique. Grâce à cette mise à niveau, les chercheurs scientifiques mèneront sur la station spatiale une série d’expériences quantiques presque impossibles à réaliser dans des laboratoires au sol.

Le Cold Atom Laboratory a été développé par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) aux États-Unis. Son apparence ressemble à un petit réfrigérateur. Il est installé dans la cabine de la station spatiale et est télécommandé par l'équipe au sol. Dans les conditions de microgravité de la station spatiale, le laboratoire peut créer et observer des gaz atomiques ultra-froids à des températures plus basses et des temps d'évolution plus longs, de sorte que les matériaux atomiques présentent une volatilité évidente, peuvent « coexister » à plusieurs endroits et même « se pénétrer » les uns les autres sous certaines conditions et d'autres comportements quantiques. Lorsque la température est inférieure à moins 459 degrés Fahrenheit (environ moins 237 degrés Celsius) et proche du zéro absolu, le nuage atomique forme un BEC, qui devient le « cinquième état » après le solide, le liquide, le gaz et le plasma. Le tout suit toujours les lois particulières de la mécanique quantique.

Chaque expérience commence avec du rubidium ou du potassium métallique : les chercheurs chauffent une bande de métal à environ 750 degrés Fahrenheit (environ 400 degrés Celsius), formant une vapeur atomique dans une chambre à vide. Ensuite, un faisceau laser réglé sur une fréquence spécifique est projeté dans la vapeur, extrayant en continu l'énergie cinétique des atomes par « refroidissement laser », provoquant une chute rapide de leur vitesse et de leur température. Une fois le refroidissement du laser terminé, le piège à champ magnétique prend le relais, confinant davantage les atomes et continuant à les refroidir, formant finalement un nuage presque stationnaire d'atomes ultra-froids. Dans un environnement de microgravité, ces « ondes de matière » peuvent s’étendre plus largement et flotter plus longtemps. Les chercheurs peuvent également obtenir une fenêtre d’observation plus abondante pour mesurer avec précision des grandeurs physiques telles que le temps, la gravité et le mouvement.

Jason Williams, scientifique du projet Jet Propulsion Laboratory, a souligné qu'aux températures les plus basses, la matière se comporte très différemment de notre expérience quotidienne, avec des fluctuations dominantes et une matière ultra-froide capable d'évoluer de manière inattendue tout en fournissant des conditions de mesure extrêmement précises. Le laboratoire d'atomes froids amélioré est équipé d'outils de manipulation plus riches, permettant à l'équipe de recherche d'explorer plus en profondeur les lois fondamentales de l'univers. Actuellement, l'installation soutient cinq équipes de recherche de plusieurs pays pour mener des recherches en physique fondamentale. Il est également considéré comme une plate-forme de test pour la future technologie quantique spatiale, orientée vers les missions de sciences de la Terre et les applications d’exploration de l’espace lointain.

Le dernier module amélioré a été livré à la station spatiale lors d'un vol de ravitaillement commercial le 11 avril de cette année. Le noyau est un module scientifique repensé et la mise à jour des composants clés. Parmi eux, la nouvelle structure du piège magnétique peut modifier la forme des nuages ​​​​de gaz quantiques dans une plage plus large, aidant ainsi les scientifiques à étudier les changements de propriétés des atomes sous différentes contraintes géométriques. Dans le même temps, les bandes métalliques améliorées fournissent une source d’atomes plus stable et meilleure pour la préparation des vapeurs atomiques. Le chef de projet Kamal Udrili a déclaré que ces améliorations favorisent encore davantage la capacité des êtres humains à contrôler la « frontière du monde quantique », étendant à nouveau la portée des températures extrêmement basses et la gamme des états quantiques contrôlables.

Le laboratoire d'atomes froids est également la première plate-forme permettant aux humains de préparer régulièrement des condensats de Bose-Einstein en orbite terrestre. Il est considéré comme une vérification importante du « fonctionnement fiable de la technologie quantique dans l’espace ». Ethan Elliott, scientifique adjoint du projet, a souligné que la « révolution quantique » du siècle dernier a donné naissance aux lasers, aux téléphones portables, à l'imagerie par résonance magnétique et à d'autres technologies. L'équipe réalise désormais l'étape « quantique 2.0 » sur la station spatiale, en manipulant directement des états quantiques à grande échelle, dans l'espoir de donner naissance à une nouvelle génération de technologies clés telles que la détection quantique et la mesure quantique.

Afin de mettre en œuvre ces expériences complexes sur la station spatiale, la NASA a condensé dans un seul rack les lasers, les réflecteurs et les équipements de contrôle qui auraient occupé une salle entière de laboratoire, et a assuré leur fonctionnement stable dans un environnement orbital à long terme. Le Jet Propulsion Laboratory est responsable de la conception, de la construction et de la gestion opérationnelle de l'installation, Caltech assurant la gestion globale du projet. Le laboratoire Cold Atom fait partie du département des sciences biologiques et physiques de la direction des missions scientifiques de la NASA. Ce département utilise les conditions uniques de l'espace pour mener des recherches scientifiques qui ne peuvent être réalisées au sol. Il fournit non seulement le support vital et les bases techniques pour la future exploration habitée de l’espace lointain, mais génère également de nouvelles découvertes et de nouvelles technologies qui peuvent bénéficier à la vie sur Terre.

Udreary a souligné que cette mise à niveau démontre non seulement la capacité de la NASA à maintenir la position de leader des États-Unis dans le domaine de la technologie quantique spatiale, mais ouvre également la voie à la maturité d'une série d'instruments quantiques dans le futur, tels que les interféromètres à ondes de matière utilisés pour la physique de base, la navigation et le positionnement, les références temporelles et la détection de la gravité de la Terre, de la Lune et des corps célestes plus éloignés. Avec la remise en service du laboratoire d'atomes froids modernisé, ce « laboratoire quantique en orbite » sur la Station spatiale internationale favorise l'exploration approfondie et continue de l'humanité dans les domaines inconnus de la science quantique.