Déployer les technologies quantiques hors laboratoire // Deploying quantum technologies outside the lab
English version below
Chez SBQuantum, nous développons notre propre senseur de champ magnétique basé sur les centres NV dans le diamant (pour plus d’information sur la technologie, je vous invite à lire cet article). Ce type de magnétomètre quantique est théoriquement idéal pour les mesures hors laboratoire étant donné sa grande sensibilité, son exactitude, mais surtout sa faible taille, sa faible consommation de puissance et sa capacité à fonctionner à température ambiante. Toutefois, cette technologie est encore jeune et les défis pour utiliser ces magnétomètres à l’extérieur des laboratoires sont grands. Ça tombe bien puisque chez SBQuantum, on aime les défis!
Mais parlons un peu de l’histoire de notre magnétomètre. Au début, nos expériences avec des centres NV se faisaient toutes dans un laboratoire d’optique où se côtoyait un amalgame de lentilles, de miroirs, de filtres, de gros équipements, d’ordinateurs et j’en passe. Ces expériences ont montré la faisabilité et le potentiel du magnétomètre.
Toutefois, tout le monde peut s’entendre qu’il est plus facile d’utiliser un magnétomètre à l’intérieur d’un laboratoire : toujours les mêmes conditions d’utilisation, souvent opéré par ceux qui l’ont conçu, s’il y a un problème logiciel, on ne fait que recommencer les mesures, etc. Tout ceci fait en sorte que les spécifications des magnétomètres sont toujours mesurées dans les meilleures conditions, donc ne représentent pas nécessairement la réalité. En effet, en contextes d’applications réelles, c’est l’inverse: vibrations, transport, températures froides ou chaudes, opérateur pas nécessairement qualifié, manque de batteries, etc. Il faut donc concevoir le magnétomètre pour qu’il soit fiable et robuste dans toutes ces conditions.
Après les tests initiaux de notre magnétomètre en laboratoire, la prochaine étape était de réaliser un prototype sans avoir besoin de ces gros équipements. La conception de notre prototype s’est premièrement concentrée sur l’électronique et la programmation embarquée. À ce stade, le magnétomètre était capable de fonctionner presque entièrement par lui-même, mais était toujours utilisé en laboratoire à cause des besoins sur les composants optiques. Puis, les itérations du prototype se sont poursuivies, chacune améliorant les performances, la fidélité de lecture des états quantiques, la miniaturisation, la robustesse et l’autonomie du magnétomètre.
Aujourd’hui, nous en sommes à un point que le senseur est suffisamment compact et fiable, avec l’électronique, l’optique et la programmation embarquée pour être utilisé en dehors des laboratoires. Maintenant, les défis de faisabilité laissent tranquillement place aux défis de robustesse!
Le test ultime est de confier notre magnétomètre à quelqu’un qui ne sait pas l’utiliser. Il va le bouger dans tous les sens, le faire vibrer, l’oublier au froid pendant longtemps, ne pas appuyer sur les boutons appropriés, etc. C’est uniquement à ce moment qu’on découvre que les avantages/faiblesses du prototype ne sont pas réellement ceux qu’on pensait. Mais ça nous permet d’avoir un point de vue souvent négligé par l’équipe technique (dont je fais partie). Ainsi, la fiabilité et la simplicité d’opération deviennent de plus en plus des éléments clés qu’il ne faut pas négliger, et ce, même au tout début des phases de prototypage.
Chez SBQuantum, nous testons de façon ponctuelle notre magnétomètre dans divers cas d’utilisation pour anticiper des problèmes de conception. Nous testons le plus possible le code embarqué pour être certain que chaque nouvelle fonctionnalité n’interfère pas avec le bon fonctionnement du magnétomètre à long terme. Nous caractérisons la précision et l’exactitude du senseur pour bien le connaître.
Mais c’est aussi le moment de reconnaître nos limites. Actuellement, l’expertise pour l’électronique, la programmation et le contrôle et la lecture des états quantiques est présente chez SBQuantum, mais beaucoup moins pour les aspects optiques du magnétomètre. C’est pourquoi nous faisons un partenariat avec une firme d’optique qui ont le mandat de rendre le design optimisé, fiable et robuste. Dans le même ordre d’idée, nous faisons aussi des partenariats avec des entreprises de fabrication et d’assemblage de circuits électroniques pour améliorer la qualité de nos produits, ainsi qu’avec des consultants en magnétismes pour bénéficier d’équipements et de conseils en caractérisation magnétique.
Ayant toutes les cartes en main, avec des partenaires expérimentés, il reste donc à peaufiner le tout, tester, puis retester dans divers contextes. Et si le magnétomètre fonctionne toujours aussi bien après tout ça, mission réussie! On aura le senseur magnétique vectoriel le plus petit, précis et exact de sa catégorie et ce, pouvant être utilisé dans toutes sortes d’applications.
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At SBQuantum, we are developing our own magnetic field sensor based on NV centers in diamond (for more information on the technology, I invite you to read this article). This type of quantum magnetometer is theoretically ideal for measurements outside the laboratory given its high sensitivity and its accuracy but the thing which really sets it apart is its small size, its low power consumption, and its ability to operate at room temperature. However, this technology is still young and the challenges for using these magnetometers outside laboratories are great. By looking back at the development of the SBQDM (SBQ’s quantum sensor) we can explore the path from laboratory to product and the essential adaptations which have been made. There will be many more things to overcome but that’s good because at SBQuantum, we like a challenge!
Let’s start with a bit about the history of our magnetometer. In the beginning, our experiments with NV centers were all done in an optical laboratory where there was a mixture of lenses, mirrors, filters, large equipment, computers and so on. These experiments showed the feasibility and potential of the magnetometer.
However, everyone can agree that it is easier to use a magnetometer inside a laboratory: always the same conditions, often operated by those who designed it, if there is a software problem, you just start the measurements again, etc. All this ensures that the magnetometer’s specifications are always measured under optimal conditions, and therefore do not necessarily represent reality. Indeed, in real application contexts, it is the opposite: vibrations, features of the transportation platform, cold or hot temperatures, operator who might not be fully qualified, a lack of batteries, the list of complicating factors is long. It is therefore necessary to design the magnetometer so that it is reliable and robust in even the most challenging conditions.
Back to the SBQ timeline. After the initial tests in the laboratory, the next step was to make a prototype without the need for such large equipment. The design of our prototype first focused on electronics and embedded programming. At this point, the magnetometer was able to operate almost entirely on its own but was still in use in the laboratory due to optical component requirements. Then the iterations of the prototype continued, each improving either focusing on functionality, such as the performance and the fidelity of reading the quantum states, or the applicability of the sensor for the world, for example through miniaturization, increasing robustness and enhancing the autonomy of SBQDM.
Today, we are at a point where the sensor is sufficiently compact and reliable with integrated electronics, optics and on-board programming so it can be used outside the laboratory. Now, feasibility challenges are slowly giving way to robustness challenges!
The ultimate test is to give our magnetometer to someone who does not know how to use it and ensure it still performs smoothly. He will move it all over the place, vibrate it, forget it in the cold for a long time, not press the right buttons… It is only then that we discover that the advantages and weaknesses of the prototype are not really what we thought. But it allows us to have a point of view often overlooked by the technical team (of which I am a part). Thus, reliability and ease of operation are increasingly becoming key elements that should not be overlooked, even at the very beginning of the prototyping phases. So throughout our journey, we get feedback from users and customers to ensure the sensor is appropriate for their problem and is ergonomic in it’s functioning.
At SBQuantum, we punctually test our magnetometer in various use cases to anticipate design issues. We test the embedded code as much as possible to be sure that each new feature does not interfere with the long term functionality of the magnetometer. We characterize the precision and accuracy of the sensor to get to know it well.
But it is also time to recognize our limits. Currently, SBQ has expertise in electronics, programming and control and reading of quantum states, but we are less specialised in the optical aspects of the sensor. Therefore, we are partnering with an optical firm who have the mandate to make the design optimized, reliable and robust. In the same vein, we also form partnerships with electronic circuits manufacturing and assembly to improve the quality of our products, as well as consultants in magnetism to benefit from equipment and advice in magnetic characterization.
Having all the cards in hand, with experienced partners, it remains to refine everything, test, then retest in various contexts. And if the magnetometer still works as well after all that, mission accomplished! We will have the smallest, most precise and exact vector magnetic sensor in its class, which can be used in all kinds of applications.
