Capturer la lumière à la limite du bruit quantique

En astronomie comme en optique quantique, détecter la lumière photon par photon avec une précision maximale, jusqu'à la limite du bruit quantique, représente un enjeu majeur capable d'ouvrir la voie à des avancées scientifiques significatives. Les détecteurs actuels restent toutefois limités par un bruit parasite qui gêne la précision des mesures. Pour relever cette limite, l'objectif est de concevoir des photodétecteurs ultra-sensibles capables de contrôler l'effet d'avalanche, par lequel un seul photon peut déclencher une cascade d'électrons, garantissant ainsi des mesures fiables à la limite du bruit quantique.

Maîtriser l'effet d'avalanche pour une photodétection précise et sans bruit

Afin de développer une photodétection à comptage de photons ultraprécise et sans excès de bruit, les ingénieurs-chercheurs ont conçu des diodes à avalanche (APDs) à base de tellurure de mercure-cadmium et ont développé des circuits de lecture CMOS optimisés pour réduire le bruit. L'objectif est de détecter un photon unique sur une surface compatible avec un pixel d'imagerie. Au cœur de cette innovation se trouve le contrôle de l'effet d'avalanche, phénomène par lequel un seul photon déclenche une cascade d'électrons. En maîtrisant cette multiplication, il devient possible d'obtenir une amplification quasi parfaite, améliorant considérablement la sensibilité des mesures.

Révéler l'invisible : un pari scientifique audacieux

Ces détecteurs permettent de capturer chaque photon avec une précision exceptionnelle, sans interférence ni bruit parasite. Ils ouvrent ainsi la voie à des avancées inédites : détecter des exoplanètes avec une précision inégalée, observer des galaxies lointaines et perfectionner les instruments d'exploration spatiale. En métrologie quantique, ils permettent d'augmenter la localisation de sources optiques ponctuelles, avec des applications allant de la microscopie à l'astrophysique. En information quantique, ils facilitent la génération d'états de la lumière nécessaires pour atteindre un avantage quantique, bien plus efficacement que ce qui a été possible de faire jusqu'à présent.

Audace ! en quelques mots ​

Au niveau national :

• 5 organismes de recherche (CEA, CNRS, Inrae, Inria, Inserm) mandatés en 2024 pour mener des programmes de recherche avec l'ensemble du monde académique.
• 2 opérateurs de l'Etat, le Secrétariat général pour l'investissement (SGPI) pour le financement et l'Agence nationale de la recherche (ANR) pour la contractualisation avec chaque organisme.

A l'échelle du CEA :

• Un budget de 40M€ pour le programme Audace !
• 10 projets structurants sélectionnés sur 35 propositions reçues et 25 auditionnés
• 46 actions d'amorçage financées sur 157 lettres d'intention reçues
• Plus de 80 partenaires académiques impliqués dans toute la France

« L'objectif est de donner carte blanche aux chercheurs pour explorer des idées nouvelles, hors des sentiers battus, pour des recherches théoriques, expérimentales ou instrumentales, sans demande d'application sociétale ni obligation de résultat » Anne-Isabelle Etienvre.​

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