Si le téléphone portable, pour l’instant, ne compte pas d’horloge atomique au nombre de ses composants, son fonctionnement est pourtant assujetti à cette merveille de technologie issue du domaine du temps-fréquence.
L’horloge atomique est un élément clé des réseaux de télécommunications, elle est présente dans tous les nœuds et relais qui les jalonnent. C’est grâce à elles et à leur incroyable exactitude que le transfert de l’information est assuré de façon synchrone sur l’ensemble d’un réseau.
« À très haut débit, les échanges s’effectuent en centaines de mégabits par seconde sans que le moindre bit d’information soit perdu, qu’il s’agisse de reconstituer une image, un message écrit ou une conversation orale », souligne Christoph Affolderbach, physicien au Laboratoire temps-fréquence (LTF) de l’université de Neuchâtel. Les horloges atomiques sont aussi à l’origine de la localisation des téléphones et de leurs utilisateurs. Aujourd’hui beaucoup de smartphones sont équipés d’un récepteur GPS, une puce électronique recevant les signaux émis par des satellites pour calculer la position de l’utilisateur et lui permettre ainsi d’accéder à des services de cartographie tels que Google Maps ou des services de guidage comme Waze. « Grâce aux horloges embarquées, les satellites sont synchronisés entre eux avec une exactitude d’une nanoseconde, un milliardième de seconde par jour… » Mais si cette extrême rigueur dans l’espace garantit une géolocalisation au mètre près sur Terre, la qualité de la réception n’est pas toujours en rapport. Montagnes, immeubles et autres obstacles sont responsables d’une altération de la réception des signaux, et par là même d’un défaut de positionnement. Pour pallier cet écueil, les chercheurs travaillent au développement d’une horloge atomique suffisamment miniaturisée pour l’intégrer à l’intérieur même du téléphone : en assurant un rôle de relais, elle pourrait maintenir la qualité du positionnement sur une courte durée.
La fabrication d’une telle horloge, et son intégration, est l’un des défis du projet européen macQsimal, réunissant 14 partenaires industriels et académiques, dont l’université de Neuchâtel. « La première révolution quantique a donné naissance aux transistors et aux lasers, sans qui les ordinateurs, les mobiles et internet n’auraient pu exister. Aujourd’hui, un nouveau tournant technologique se profile, grâce à la possibilité de manipuler les propriétés quantiques fondamentales des systèmes et des matériaux. »
Phénomènes quantiques et technologies de microfabrication se combinent dans ce projet pour élaborer des capteurs dont la très haute performance proviendra de l’exploitation de cellules à vapeur atomique. Actuellement aucune technologie basée sur une telle précision atomique n’est présente dans un téléphone portable. Les chercheurs impliqués dans macQsimal travaillent à transférer celles issues du temps-fréquence dans des cellules miniatures. « Certaines approches sont avérées dans le domaine des atomes refroidis par laser, mais restent encore à démontrer pour les cellules à vapeur atomique. Il s’agit par exemple de limiter, par compression, la fluctuation intrinsèque des propriétés des atomes, puis d’utiliser celles-ci pour la mesure du temps, en plaçant les atomes dans un état d’intrication ou de superposition », explique Christoph Affolderbach. Si un premier prototype de 5 cm3 est un objectif envisageable dans 5 à 10 ans, il faudra encore du temps pour réussir à implémenter une horloge réellement miniature dans un téléphone portable.
La fabrication de capteurs d’une incroyable sensibilité, utilisant les propriétés quantiques des atomes, est au cœur du projet macQsimal, qui concerne plusieurs applications majeures de la mesure en physique : le temps, avec la génération d’horloges susceptibles de s’immiscer à l’intérieur d’instruments portables tels qu’un téléphone ; le champ magnétique, avec des magnétomètres capables de mesurer les infimes signaux envoyés par le cœur ou le cerveau humain ; le mouvement de rotation, et la mise au point de gyroscopes de nouvelle génération, indispensables à l’amélioration des systèmes d’assistance à la conduite voire la gestion de la conduite des véhicules autonomes ; la concentration de gaz, avec la détection ultrafine de molécules. Sélectionné par la Commission européenne dans le cadre du H2020 Quantum Flagship, lancé en octobre 2018 et doté de 10 millions d’euros, macQsimal est coordonné par le Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique (CSEM) et réunit 14 partenaires industriels et académiques, pour lesquels la volonté est de créer une industrie quantique européenne performante à un horizon de cinq à dix ans.
Dans un réseau de télécommunications, de l’antenne au téléphone portable, chaque transfert de données suppose la présence d’un filtre dans la chaîne de traitement du signal radiofréquence (sélection du signal utile). Un smartphone compte lui-même une quarantaine de filtres permettant de multiplier les canaux d’échange d’informations et de téléphoner, envoyer un sms, regarder une vidéo, écouter de la musique…
Ces filtres à ondes acoustiques de volume ou de surface sont dits passifs : aucun de leurs composants ne nécessite d’apport d’énergie pour fonctionner, une aubaine pour les batteries. Les filtres sont aujourd’hui amenés à couvrir des bandes passantes à des fréquences supérieures à 3 GHz pour gagner en performance et entrer dans le domaine de la 5G, qui devrait apporter des progrès spectaculaires en termes de vitesse de télécommunication, avec des débits de l’ordre du gigabit par seconde.
Au département Temps-fréquence de l’Institut FEMTO-ST, Thomas Baron et son équipe sont des spécialistes des filtres acoustiques à ondes de surface. « Pour monter en fréquence, nous travaillons à augmenter la vitesse de propagation des ondes, une variable directement liée à la nature et à la structure du matériau composant le filtre », explique le physicien.
L’équipe travaille par exemple sur des structures composites pour lesquelles un film mince piézoélectrique de tantalate de lithium (LiTaO3) est couplé à un substrat en silicium assurant, entre autres propriétés, la stabilisation de la vitesse de propagation de l’onde dans le tantalate. Un autre défi concerne l’architecture des composants : repousser les limites actuelles des procédés de fabrication, pour réussir à donner de nouvelles géométries aux matériaux, permettra aussi de jouer sur la vitesse de propagation de l’onde, que les chercheurs espèrent repousser à 10 voire 11 000 m/s, contre 3 à 6 000 m/s aujourd’hui. Enfin, mettre au point de nouveaux matériaux signifie aussi développer de nouvelles techniques de caractérisation, notamment optiques, pour en mesurer les propriétés.
Matériaux, technologies de fabrication, moyens de caractérisation : pour mieux maîtriser ce triple enjeu, le projet Smart Inn a été mis en place avec l’intention de fédérer au niveau régional les spécialistes du filtrage à ondes de surface.
Ainsi les sociétés industrielles AR Electronique, Digital Surf, Frec|n|sys, my-OCCS et SnowRay partagent-elles leurs compétences et leurs outils, travaillent en collaboration avec l’Institut FEMTO-ST et bénéficient des moyens technologiques de la centrale MIMENTO.
« Ce projet de recherche partenariale est clairement orienté vers l’industrialisation future de composants présentant des caractéristiques inédites, et vers l’identification de marchés, en vue de leur commercialisation. Pour notre équipe, il constitue un prolongement, sur le terrain, de travaux également menés en amont. »
Engagé pour 4 ans (2015-2019), Smart Inn est un projet de spécialisation intelligente (RIS 3) financé par l’Europe via le FEDER, par BPI France, et par la Région Bourgogne – Franche-Comté.
Un écran parfaitement découpé et poli sur tranche ? La technologie du laser femtoseconde est sans conteste celle qui s’acquitte le mieux de cette mission. Aujourd’hui opérationnelle dans le monde industriel, elle reste l’objet de nombreuses recherches menées au département Optique de l’Institut FEMTO-ST.
François Courvoisier et son équipe sont les premiers, au niveau mondial, à avoir maîtrisé la découpe par laser femtoseconde, qui consiste à percer côte à côte des milliers de trous de très haut rapport de forme pour que se casse le verre d’une façon nette et sans bavure le long de ces pointillés. Le rapport de forme atteint la valeur phénoménale de 1 000, voire 10 000, pour 1 : les canaux obtenus affichent plusieurs centaines de µm de profondeur pour un diamètre de 100 nm, l’équivalent d’un tunnel de 10 à 100 km de long pour 10 m de diamètre. Le tout percé en une seule fois, grâce à une seule impulsion laser, qui en une centaine de femtosecondes concentre une puissance comparable à celle de plusieurs centrales nucléaires réunies. Rappelons qu’une femtoseconde représente 10- 15 s.
Les industriels ne s’y sont pas trompés, qui se sont équipés de lasers femtoseconde puissants et performants, leur permettant d’assurer la découpe du verre à une vitesse de l’ordre du mètre par seconde. « L’impulsion laser donne naissance à un plasma, qui à son tour génère une pression et une température telles que le verre explose, explique François Courvoisier. C’est donc un stress interne qui fait que le verre se casse, se clive par lui-même : le contrôle des interactions entre laser, plasma et matière est capital. » Les chercheurs continuent, eux, à peaufiner le procédé. À FEMTO-ST, ils ont par exemple mis au point de nouvelles formes de lasers pour le perçage de canaux elliptiques. Grâce à cette « astuce » géométrique, le stress provoqué à l’intérieur du matériau est plus important, et surtout génère une cassure suivant exactement la ligne de perçage, ce qui n’était jusque-là pas maîtrisé de façon systématique. Cette fracture, provoquée pile au bon endroit, garantit une plus grande solidité du verre, tout en continuant d’assurer une découpe et une finition parfaites.
Mais si la technologie continue de faire ses preuves, il n’en reste pas moins que certains principes physiques à l’œuvre restent obscurs, même pour les chercheurs qui l’ont mise au point. Pour mieux les comprendre, et de là avancer dans un domaine aux enjeux majeurs, l’équipe menée par François Courvoisier s’est vue accorder un prestigieux financement européen de l’ERC (European Research Council), de l’ordre de deux millions d’euros sur cinq ans. Le projet arrive aujourd’hui à mi-parcours, et les chercheurs attendent beaucoup de l’expérience qu’ils ont mise au point, une infrastructure qui leur a demandé deux années de travail pour pouvoir répondre à un questionnement complexe. « Le piège est prêt ! Il nous permettra de mettre en évidence les processus en jeu, qui tiennent de différents aspects de la physique, quantique, thermodynamique, mécanique, acoustique, des plasmas… » Et de mieux maîtriser de nouveaux développements, notamment d’autres applications spécifiques à la microélectronique. Un projet concerne par exemple le perçage de « sandwichs » composés de verre et de silicium. De tels empilements de couches incluant des semi-conducteurs, reliées entre elles par de la connectique, seraient utiles pour l’alimentation électrique de différents composants d’un portable.
Pour en savoir plus sur… la matière et le laser
Pour qu’un message soit acheminé de façon fiable et adressé à la bonne personne, la transmission de l’information s’entoure de règles de sécurité auxquelles les mathématiques apportent leur contribution.
Ingénieusement utilisés dans l’industrie, certains grands principes mathématiques sont ainsi impliqués dans la construction de codes correcteurs. Ces codes peuvent détecter, voire corriger, les erreurs susceptibles de survenir lors du stockage ou de la transmission de l’information. « Ils sont élaborés différemment selon le support d’information et le canal de diffusion concernés, explique Philippe Lebacque au Laboratoire de mathématiques de Besançon. Mais dans tous les cas, et par définition, ils consistent à ajouter de la redondance à l’information afin de garantir l’intégrité du message initial ».
Un exemple de code élémentaire consiste à ajouter un bit dit de parité à un mot formé de 0 et de 1, de sorte que la somme des bits soit paire. Si la valeur d’un bit change lors de la transmission, cette somme sera impaire, ce qui témoigne d’une erreur de transmission. Les codes linéaires, eux, sont intéressants pour la rapidité et le faible coût d’encodage et de décodage.
La téléphonie mobile a par exemple recours aux systèmes suivants : les turbo codes, basés sur l’entrelacement des données, et les codes de Reed-Solomon, consistant à « évaluer des polynômes », qui sont des sommes de puissances des éléments d’un corps fini.
Si ces codes sont largement utilisés dans l’industrie, ils font aussi l’objet de recherches fondamentales. Philippe Lebacque étudie les codes de Goppa, codes géométriques généralisant les codes de Reed-Solomon. Il ne s’agit plus ici de travailler avec des polynômes, mais avec des espaces de fonctions rationnelles sur des courbes ou des surfaces algébriques : c’est l’évolution qui sous-tend les travaux de recherche menés au LMB dans ce domaine.
La cryptographie est une méthode également très répandue pour sécuriser l’information. Elle est omniprésente dans notre vie de tous les jours. Elle peut s’appuyer sur la théorie des nombres et la géométrie arithmétique, et se scinde en deux familles.
Les systèmes symétriques comportent deux clés secrètes, chacune détenue par l’un et l’autre des deux interlocuteurs, ce qui assure la fiabilité de l’information. Ces clés peuvent être partagées avec le fournisseur d’accès : l’inscription d’une clé secrète sur la carte SIM d’un mobile permet d’identifier l’interlocuteur sur le réseau.
Les systèmes asymétriques comportent une clé publique et une clé secrète, et assurent la confidentialité d’une information sur un réseau public. Ils concernent par exemple des messageries instantanées telles que WhatsApp ou Facebook Messenger. Dans cette configuration, ni les fournisseurs d’accès, ni l’État ne sont capables de décrypter les conversations privées. À chaque message transmis correspond un code unique : si quelqu’un perce le secret d’une clé, il ne pourra dans tous les cas avoir accès qu’à un seul message. « De tels systèmes sont critiqués dans le cadre de la lutte contre le terrorisme, mais appréciés par les populations des pays totalitaires. »
Dans le domaine de la cryptographie, Philippe Lebacque et son équipe travaillent au LMB sur des outils permettant d’élaborer des cryptosystèmes susceptibles de résister au décryptage par ordinateur quantique.
Les modèles mathématiques sont aussi partie prenante du développement d’applications informatiques de plus en plus spécialisées et opérationnelles sur mobiles. À la Haute Ecole Arc Ingénierie, Aïcha Rizzotti-Kaddouri est chercheuse et enseignante en applications mobiles et dispositifs portables. Ses différents projets de recherche s’appuient sur les ressources de l’établissement ou ceux de la HES-SO (1). Les moyens et compétences en informatique permettent de maîtriser entièrement tous les maillons de la chaîne : acquisition des données, connexion Bluetooth, transmission des informations au serveur, gestion des bases de données, traitement des données, éventuellement envoi de messages d’alarme aux utilisateurs, le tout en assurant la sécurité du transfert et du stockage des informations. « Une application dédiée à la question du sommeil a par exemple été élaborée avec des étudiants de master, explique l’informaticienne. Ce travail a fait l’objet d’une communication lors d’une conférence internationale fin 2018. »
L’innovation réside dans le traitement combiné d’informations provenant de différentes sources, par une interface mobile. Le concept sous-tend l’ensemble des travaux menés sous la houlette d’Aïcha Rizzotti-Kaddouri. Des données physiologiques, captées par un « bracelet de recherche » porté par une personne, sont associées à des informations d’ordre biologique et contextuel. Les données brutes transitent par l’intermédiaire du mobile vers des serveurs dédiés au machine learning, et le résultat personnalisé est envoyé à l’application mobile de l’utilisateur. Dans le cas du sommeil, on accède ainsi à des indications non seulement sur sa durée effective, mais aussi sur sa qualité. S’il n’est pas encore possible d’en qualifier les phases (sommeil profond, paradoxal…), cette analyse plus fine encore figure aux objectifs de développement de l’application. Dans la même veine, la somnolence est également dans la ligne de mire des chercheurs. En collaboration avec la Ligue pulmonaire neuchâteloise, un travail mené avec des étudiants de bachelor (licence) est à l’origine d’une application de suivi de vigilance et de sommeil d’une personne présentant des symptômes de somnolence. Cette application mobile peut remplacer un agenda de sommeil papier par son équivalent électronique, et apportera des précisions en utilisant des capteurs comme un accéléromètre et un capteur de lumière.
Autre exemple : la détection de stress. Pour connaître son importance, les signaux physiologiques transmis par le bracelet (battements cardiaques, sudation de la peau, température du corps) sont couplés à des informations biologiques (mesure du cortisol dans la salive) et à des données contextuelles (âge, pratique ou non d’un sport, état de santé général). L’information se complète d’une évaluation, par la personne, de son niveau de stress. La comparaison entre ce ressenti et les données réelles enregistrées fournit une grille d’analyse supplémentaire pour le diagnostic. Ce projet exploratoire, visant à mettre au point un système non invasif d’évaluation du stress, devrait prochainement faire l’objet de premiers tests. Enfin, sur un sujet emblématique du domaine de la santé, l’équipe travaille à la mise au point d’une application assurant le suivi de patients atteints de diabète de type 1. Mené en collaboration avec des médecins et des patients, le projet prévoit d’élaborer un modèle prédictif du taux de glucose pour pouvoir anticiper les variations de cet indicateur essentiel et mieux gérer la maladie. Là encore, le mobile devient une plaque tournante pour le recueil, la compilation et l’analyse de données provenant de sources diverses, et une interface privilégiée de restitution de l’information auprès de l’utilisateur.
D’autres développements informatiques concernent la traque des mobiles, pour lesquels est requise une bonne connaissance du fonctionnement des réseaux de communication, du wifi et des standards 3G et 4G. Au DISC, à l’Institut FEMTO-ST, l’informaticien Frédéric Lassabe cherche à localiser un mobile à l’intérieur d’un bâtiment par empreinte radio, une méthode plus précise que les systèmes habituellement utilisés s’inspirant du fonctionnement du GPS. « Des mesures de position réalisées dans un bâtiment nourrissent une base de données, qui sert à élaborer un modèle radio. Par similarité avec les références que ce modèle indique, on peut détecter la position d’un mobile et suivre ses déplacements. » La méthode tient compte des murs, colonnes et autres éléments d’architecture, et permet de s’affranchir de ces obstacles gênant la réception des signaux. Elle est efficace pour localiser un portable sans même que son utilisateur donne son autorisation de manière explicite. On peut s’en réjouir comme s’en inquiéter. « Qu’un téléphone soit allumé et le wifi activé, et il devient possible, avec ce système, de savoir exactement où se trouve une personne bloquée dans un immeuble en feu », souligne Frédéric Lassabe.
Une application possible de la méthode de localisation par empreinte radio concerne la visite guidée et personnalisée d’un musée. L’idée est d’aider le promeneur à s’orienter dans le dédale des galeries du Louvre, par exemple, et d’afficher sur l’écran de son portable l’histoire de la Joconde, au moment précis où il s’arrête devant le mystérieux tableau. Même cheminement et même principe de fonctionnement dans des applications commerciales, comme celle prévoyant de signaler une promotion en cours ou d’adresser une publicité à une cible précise de consommateurs, en fonction des déplacements que ceux-ci effectuent dans un supermarché. « De manière générale, toute application, qu’elle soit téléchargée ou implicite, est liée au profilage d’une personne, ce qui pose bien sûr le problème de la protection de la vie privée. Notre souhait est de limiter au maximum, en collaboration avec les fournisseurs de réseau, la quantité d’informations dévoilées. »
Le même souci de protection des données anime Frédéric Lassabe et ses collaborateurs, dans le cadre de recherches sur la mobilité des territoires. « À l’intérieur d’un réseau de communication mobile, l’opérateur de téléphonie sait dans quelle cellule géographique un utilisateur se trouve ; il a aussi accès à des informations très précises le concernant. » Se servir de ces informations est interdit par la loi, hormis pour les besoins de la justice et de la police. Mais il est possible de les agréger et de les rendre anonymes pour les exploiter, et les informaticiens travaillent à garantir cette anonymisation des données, selon les règles édictées par la CNIL. À partir d’informations sur la fréquentation d’un secteur géographique donné, les chercheurs peuvent avancer des propositions d’optimisation d’un réseau de transport en commun, conseiller une implantation de bornes de recharge pour véhicules électriques, ou encore estimer les besoins en places de parking. « Nous formulons nos recommandations à l’intention des élus et des décideurs afin que les collectivités disposent d’éléments pour optimiser l’aménagement territorial et rapprocher les services de mobilité du plus grand nombre. »
