Tunnels, objets enfouis, navigation sans GPS : cette startup dévoile ce que sa technologie quantique pourrait faire depuis l’espace

Fin mars, l’entreprise québécoise SBQuantum a réussi le lancement de son capteur quantique dans l’espace, dans le cadre du concours MagQuest du gouvernement américain. Ce programme, initié par la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA), une agence de renseignement du département de la Défense des États-Unis, vise à développer des moyens plus précis et efficaces de cartographier le champ électromagnétique terrestre, également connu sous le nom de Modèle magnétique mondial (ou VMM pour World Magnetic Model).

Ce concours, doté de plusieurs millions de dollars, a pour objectif de mettre en service une nouvelle version du WMM d’ici 2030.

Une mise à jour nécessaire du Modèle magnétique mondial

Pour saisir l’importance de l’implication de la NGA, il est important de comprendre que le Modèle magnétique mondial est fondamental pour de nombreux systèmes de navigation, notamment les smartphones, l’aviation commerciale et les opérations militaires. Cependant, le champ magnétique terrestre est en mouvement et ce phénomène s’accélère, entraînant des répercussions significatives sur la navigation terrestre, aérienne et maritime.

L’urgence de mettre à jour le WMM est d’autant plus pressante en raison du vieillissement des satellites actuels, qui poussent à trouver des façons alternatives de générer des données magnétiques de qualité en orbite.

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Ce capteur quantique à diamant permettra une surveillance continue et en temps réel du champ magnétique terrestre avec une précision inédite. Les performances escomptées incluent une sensibilité inférieure à 100 picoteslas, une bande passante de 400 Hz et une précision de 200 picoteslas.

En combinant la précision accrue du capteur avec des algorithmes de débruitage magnétique pour un satellite comptact, la nouvelle solution permettra de mettre à jour les systèmes satellites plus fréquemment et de générer des données sur différentes orbites.

Une première étape vers l’abandon du GPS

Ce capteur ne se limite pas à surveiller l’évolution du champ magnétique terrestre, il a le potentiel de révolutionner cette surveillance et d’ouvrir la voie à des applications novatrices pour notre Planète, l’exploration spatiale et dans les domaines de la sécurité et de la défense. Il pourrait constituer une première étape vers une nouvelle forme de « navigation magnétique », qui, contrairement au GPS, ne peut être brouillée ni perturbée par des acteurs malveillants.

En offrant une précision et une fiabilité absolues, même en zones contestées, cette innovation pourrait transformer les pratiques de navigation terrestre, aérienne et maritime.

Il pourrait constituer une première étape vers une nouvelle forme de « navigation magnétique »

Il faut aussi savoir que le Canada a désigné les capteurs quantiques comme l’une des dix « capacités souveraines clés » dans la nouvelle stratégie industrielle de défense du gouvernement canadien. Par ailleurs, l’Agence spatiale européenne (ESA) a également reconnu le potentiel de cette technologie, qui utilise des principes de physique quantique.

En début d’année, dans le cadre de son programme d’observation de la Terre, FutureEO, l’ESA a conclu un partenariat stratégique avec SBQuantum pour concevoir une nouvelle version du prototype de capteur magnétomètre quantique plus performante.

Champ magnétique terrestre mesuré en juin 2014 par la constellation Swarm de l’ESA. © ESA, DTU Space

David Roy-Guay, fondateur de SBQuantum, répond à nos questions.

Futura : Quelles spécificités techniques distinguent votre magnétomètre quantique à diamant des autres dispositifs de surveillance du champ magnétique existants ?

David Roy-Guay : Notre magnétomètre exploite les centres NV (azote-lacune) dans le diamant, ce qui lui confère plusieurs avantages uniques par rapport aux technologies conventionnelles (fluxgate, à vapeur d’atome, SQUID, etc.).

D’abord, il opère à température ambiante tout en offrant une sensibilité élevée, ce qui élimine le besoin de cryogénie. Ensuite, il permet une mesure vectorielle (directionnelle) intrinsèque du champ magnétique, avec une excellente stabilité à long terme et une très faible dérive. Un autre élément différenciateur clé est sa robustesse : le diamant est un matériau extrêmement résistant aux radiations, aux vibrations et aux conditions environnementales difficiles, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications spatiales et de défense. Enfin, notre approche permet une miniaturisation tout en maintenant des performances élevées, ouvrant la porte à des capteurs embarqués compacts et déployables à grande échelle.

Futura : Quels résultats préliminaires avez-vous observés lors des tests de votre capteur dans l’espace durant le défi MagQuest ?

David Roy-Guay : Lors des essais réalisés dans le cadre du défi MagQuest, nous avons pu démontrer la capacité de notre capteur à fonctionner dans des conditions spatiales réelles, notamment en matière de stabilité thermique, de résistance aux vibrations et de compatibilité avec les contraintes de plateforme. Ces tests ont également permis de valider certaines briques technologiques critiques, notamment l’électronique de contrôle et les séquences de manipulation quantique dans une enveloppe de puissance électrique et volume contraints.

En accord avec les métriques de performance désirées de 1nT de sensibilité et de 5nT de précision de lecture de champ vectorielle, nous avons démontré ces capacités même dans l’environnement bruité du cubesat. En effet, nous avons implémenté une approche multicapteurs combinée à l’IA afin de réduire le bruit de la plateforme, réduisant d’un facteur 100 le bruit magnétique du satellite.

Futura : Pouvez-vous donner des exemples concrets d’applications pratiques de votre technologie ?

David Roy-Guay : Les applications sont nombreuses et couvrent plusieurs secteurs stratégiques :

Défense et navigation sans GPS : détection d’anomalies magnétiques créées par des sous-marins et la navigation sans infrastructure à l’aide de cartes magnétiques, notamment en environnement contesté où le GPS est brouillé ou indisponible. Ceci inclut les véhicules terrestres, aériens, maritimes et sous-marins. Sécurité publique : détection d’objets enfouis (armes, tunnels, infrastructures clandestines), surveillance d’infrastructures critiques et contrôles aux entrées d’événements, de bâtiments et même détection au travers des murs. Géophysique et exploration : cartographie du sous-sol pour les ressources naturelles.

Futura : Votre magnétomètre peut détecter des tunnels construits sous des villes ou ailleurs ?

David Roy-Guay : Dans une région où du contenu ferreux est présent dans le sol, des tunnels peuvent être détectés. Un défi est le bruit environnemental dû à des poutres métalliques – dans un environnement hors urbain, nous avons pu mesurer la présence d’une cave.

Futura : serait-il capable de localiser les 450 kilos d’uranium enrichi que l’Iran aurait enfoui ?

David Roy-Guay : Le béton renforcé ainsi que la présence d’équipements métalliques sous le sol pourrait être détecté. L’uranium n’étant pas magnétique en lui même, la radiomètrie serait plus adaptée.

Futura : Quel est votre calendrier de commercialisation et votre stratégie d’intégration ?

David Roy-Guay : Notre capteur quantique est prêt à l’intégration système, bien que la sensibilité puisse être améliorée. En fait, la performance des magnétomètres haute performance est limitée par le bruit de plateforme ou de l’environnement. Ainsi, nous combinons le magnétomètre à base de diamant dans des réseaux de capteurs pour déployer l’intelligence magnétique et interpréter les données en un format simple pour l’utilisateur.

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SBQuantum a développé une architecture algorithmique pour inférer en temps réel la position d’un objet, sa vitesse et son poids, ce qui n’est possible qu’en post-traitement conventionnellement. Nos premiers sacs à dos intégrant cette innovation sont en déploiement terrain et seront vendus sur le marché à plus grande échelle dans les 12 prochains mois.

Simulation du champ magnétique terrestre réalisée par la mission Swarm de l’Agence spatiale européenne (ESA). © Julien Aubert, IPGP, CNRS, CNRS

Futura : Quelles améliorations ou nouvelles fonctionnalités envisagez-vous pour le futur ?

David Roy-Guay : Nous travaillons sur plusieurs axes d’amélioration :

augmentation de la sensibilité et réduction du bruit, notamment via l’optimisation des séquences quantiques et de la qualité des diamants. Ceci permettra d’augmenter la portée de détection ;miniaturisation accrue, via intégration photonique et électronique, pour des applications embarquées à grande échelle tels les drones de petite taille ;amélioration de la consommation énergétique, essentielle pour les systèmes autonomes et spatiaux ;algorithmes de débruitage magnétique, généralisés à plusieurs types de plateformes autonomes et adaptatifs en cours de mission.

Futura : En quoi votre technologie pourrait-elle changer la dynamique de la navigation par rapport au GPS ?

David Roy-Guay : Notre technologie pourrait offrir une alternative passive et indépendante au GNSS, sous la forme de « navigation magnétique » de haute précision. Le GPS fournit la position, mais pas la direction comme une boussole le ferait. Contrairement aux systèmes satellitaires GNSS, elle ne dépend d’aucune infrastructure externe et ne peut pas être brouillée ou falsifiée. En exploitant les signatures magnétiques locales à l’aide de cartes haute précision, un positionnement robuste pourrait être possible, même en environnement contesté ou dégradé.

Cette capacité de positionnement complémentaire augmenterait la résilience de la navigation et repousserait les limites de la navigation même aux endroits où le GPS est absent.

Futura : Quels défis avez-vous rencontrés dans le développement et le lancement du capteur, et comment les avez-vous surmontés ?

David Roy-Guay : Le développement de cette technologie présente plusieurs défis majeurs, notamment l’intégration simultanée de nouvelles briques technologiques, tant au niveau des séquences de contrôle quantique que de l’électronique embarquée. Comme mentionné précédemment, cela implique un niveau de risque élevé. Pour y faire face, nous avons adopté une approche itérative basée sur le développement de bancs de tests unitaires. Cela nous permet d’identifier rapidement les limites de performance de chaque sous-système et d’ajuster nos priorités en conséquence.

Nous avons également dû relever des défis liés à la miniaturisation, à la robustesse environnementale et à la compatibilité avec les contraintes spatiales. La forte interdisciplinarité entre physique quantique, ingénierie électronique et systèmes embarqués a été la clé de nos progrès.