International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

Cet article rend compte d'une comparaison internationale réussie de sept horloges optiques, menée sur deux mois entre quatre instituts européens de métrologie via un réseau de fibres, atteignant des incertitudes de rapport de fréquence aussi faibles que $7.7\times10^{-18}$ et fournissant des données essentielles pour la future redéfinition de la seconde du SI.

L'essentiel

Imaginez que vous possédiez les montres les plus parfaites au monde. Il ne s'agit pas de vos montres-bracelets standard ; ce sont des horloges optiques qui battent avec une telle précision qu'elles ne perdraient ou ne gagneraient qu'une seule seconde sur toute la durée de l'univers. Des scientifiques ont construit ces chronométreurs incroyables dans différents pays, mais pendant longtemps, ils ne pouvaient être certains que la montre en Italie battait exactement à la même vitesse que celle en Allemagne ou au Royaume-Uni.

Ce document est comme un bulletin de notes d'une « olympiade du chronométrage » massive, tenue sur deux mois au début de 2023. Voici ce qui s'est passé, expliqué simplement :

La Configuration : Un Réseau de Voyage dans le Temps à Haute Vitesse

Habituellement, pour comparer deux montres dans différents pays, les scientifiques utilisent des satellites (comme le GPS). Mais les satellites sont un peu comme essayer de comparer deux montres en criant à travers un canyon venteux ; le signal devient un peu flou et la comparaison n'est pas parfaite.

Au lieu de cela, ces scientifiques ont utilisé un réseau colossal de câbles à fibre optique ultra-stable s'étendant à travers l'Europe. Imaginez ce réseau comme une « super-autoroute » pour la lumière. Ils ont relié quatre laboratoires de métrologie majeurs (en Italie, en France, en Allemagne et au Royaume-Uni) avec ces câbles. Cela leur a permis d'envoyer le « tic » d'une horloge directement à une autre, sans le flou des satellites.

Les Concurrents : Sept Horloges Différentes

Sept horloges différentes ont participé à la course. Elles n'étaient pas toutes construites de la même manière :

• Certaines utilisaient de l'Ytterbium (un métal) piégé sous forme d'un seul ion (comme un petit marbre flottant).
• D'autres utilisaient des atomes de Strontium ou de Mercure piégés dans un « réseau » (comme un nid d'abeilles fait de lumière).
• Elles fonctionnaient sur différents types de « transitions » (façons dont les atomes sautent entre les niveaux d'énergie), ce qui équivaut à différentes marques d'horloges utilisant des engrenages internes différents.

La Grande Réalisation : Le Contrôle des « Jumeaux »

Le résultat le plus excitant est venu de la comparaison de deux horloges construites indépendamment dans deux pays différents (une au Royaume-Uni, une en Allemagne). Toutes deux étaient des horloges à ions d'Ytterbium utilisant un type de battement spécifique et très complexe (appelé la transition « E3 »).

• Le Résultat : Elles s'accordaient parfaitement entre elles, avec une marge d'erreur infime (moins d'une partie sur 100 quadrillions).
• L'Analogie : Imaginez deux maîtres horlogers dans des villes différentes construisant une horloge à partir de zéro. Ils envoient leurs horloges sur un terrain neutre. Lorsqu'ils les comparent, les aiguilles sont exactement à la même position, jusqu'à une fraction de la largeur d'un cheveu. C'était la première fois que deux horloges optiques construites indépendamment dans différents pays étaient prouvées comme étant en accord à ce niveau de précision.

L'Horloge au Mercure : Une Nouvelle Championne

L'horloge en France, qui utilise du Mercure, était également une joueuse clé. Elle a été comparée à toutes les autres horloges du réseau. Les résultats ont montré que l'horloge au Mercure est incroyablement stable et fiable, fournissant de nouvelles mesures très précises de la façon dont son « tic » se compare aux horloges à Ytterbium et à Strontium.

Pourquoi Cela Compte (Selon le Document)

Le document explique que le monde tente actuellement de redéfinir la « seconde ». Actuellement, la seconde est définie par des horloges à micro-ondes (l'ancien standard). Les scientifiques veulent passer à ces nouvelles horloges optiques ultra-précises.

Cependant, avant de pouvoir changer la définition d'une seconde, vous devez prouver que chaque horloge optique dans le monde s'accorde sur ce qu'est une seconde. Si l'horloge à Paris dit qu'une « seconde » est légèrement différente de celle à Londres, vous ne pouvez pas changer la règle.

Cette expérience a prouvé que :

1. Le Réseau Fonctionne : Les câbles à fibre optique sont si bons qu'ils ne perturbent pas la comparaison. Ils sont essentiellement invisibles pour la mesure.
2. Les Horloges S'accordent : Différents types d'horloges optiques, construits par différentes équipes dans différents pays, indiquent tous la même heure avec une précision incroyable.

Le « Bug » dans le Système

Le document mentionne également une horloge (une horloge au Strontium en Allemagne) qui avait une « maladie ». Elle a été affectée par un problème de laser qui a légèrement décalé son temps. Les scientifiques n'ont pas pu corriger cela a posteriori, ils n'ont donc pas inclus ses chiffres finaux dans les résultats principaux. Cependant, ils l'ont quand même utilisée pour vérifier la stabilité des autres horloges, car même avec sa maladie, elle était très stable à court terme.

La Conclusion

Ce document est une victoire de la science internationale. Il montre que nous avons construit une « toile du temps » à travers l'Europe qui est si précise que nous pouvons enfin faire confiance au fait que nos meilleures horloges sont toutes synchronisées. C'est une étape cruciale vers la mise à jour de la définition officielle du temps lui-même, garantissant que la « seconde » que nous utiliserons demain sera aussi parfaite que les horloges que nous avons construites aujourd'hui.

Résumé technique

1. Énoncé du problème

Les horloges optiques ont atteint des incertitudes de fréquence relatives au niveau de $10^{-18}$ et en dessous, les rendant supérieures aux définitions actuelles de la seconde SI basées sur les micro-ondes. Cependant, un goulot d'étranglement critique subsiste : vérifier la cohérence internationale de ces horloges.

• Le défi : Si les comparaisons intra-laboratoires sont routinières, comparer des horloges optiques indépendantes entre différents pays est difficile. Cela nécessite des liaisons fibrées fiables sur de longues distances, une opération synchronisée de plusieurs systèmes complexes et la coordination des budgets d'incertitudes systématiques.
• L'objectif : Pour valider la redéfinition de la seconde SI basée sur les transitions optiques, la communauté scientifique doit démontrer que des horloges optiques développées indépendamment (utilisant différentes espèces atomiques et technologies) s'accordent entre elles au niveau de $10^{-18}$ au-delà des frontières internationales.

2. Méthodologie

Les auteurs ont mené une campagne internationale de comparaison d'horloges d'une durée de deux mois (du 24 février au 1er mai 2023) impliquant quatre Instituts Nationaux de Métrologie (INM) en Europe :

• Instituts : INRIM (Italie), LNE-OP (anciennement LNE-SYRTE, France), NPL (Royaume-Uni) et PTB (Allemagne).
• Infrastructure : La comparaison a utilisé le réseau européen de fibres optiques à stabilisation de phase (REFIMEVE), reliant :
  • LNE-OP à NPL (785 km)
  • LNE-OP à PTB (1370 km)
  • LNE-OP à INRIM (1023 km)
• Horloges impliquées (7 au total) :
  • France (LNE-OP) : Horloge à réseau optique $^{199}\text{Hg}$ (SYRTE-Hg).
  • Royaume-Uni (NPL) : Horloge à ion $^{171}\text{Yb}^+$ (transition E3) et horloge à réseau optique $^{87}\text{Sr}$.
  • Allemagne (PTB) : Deux horloges à ion $^{171}\text{Yb}^+$ (transitions E3 et E2) et une horloge à réseau optique $^{87}\text{Sr}$.
  • Italie (INRIM) : Horloge à réseau optique $^{171}\text{Yb}$.
• Analyse des données :
  • Les rapports de fréquence ont été calculés en comparant les fréquences optiques des horloges via les liaisons fibrées.
  • Les incertitudes statistiques ont été évaluées en utilisant des tranches journalières et majorées par le rapport de Birge si la dispersion quotidienne dépassait les attentes (indiquant un bruit excessif).
  • Les incertitudes systématiques incluaient les contributions de chaque package physique d'horloge, le bruit statistique et les corrections de décalage gravitationnel relativiste.
  • Des coefficients de corrélation ont été calculés pour toutes les paires de mesures afin de tenir compte des erreurs systématiques partagées (par exemple, les horloges de référence communes).

3. Contributions clés

• Première vérification internationale inférieure à $10^{-17}$ : La campagne a réalisé la première comparaison internationale de deux horloges optiques développées indépendamment ($^{171}\text{Yb}^+$ E3) avec une incertitude inférieure à $1 \times 10^{-17}$.
• Intégration à grande échelle du réseau : Coordination réussie de l'opération simultanée de 7 horloges optiques distinctes dans 4 pays sur 65 jours, démontrant la maturité du réseau fibré européen pour la métrologie.
• Nouveaux rapports de fréquence : Fourniture des premières mesures internationales directes de rapports de fréquence impliquant l'horloge $^{199}\text{Hg}$ contre les horloges $^{171}\text{Yb}^+$ et $^{87}\text{Sr}$.
• Transparence des données : Publication d'un ensemble de données complet incluant 11 rapports de fréquence, des matrices de corrélation et des données d'instabilité, servant de référence pour les futurs efforts de redéfinition de la SI.

4. Résultats clés

• Accord $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) (NPL vs PTB) :
  • Les deux horloges $^{171}\text{Yb}^+$ fonctionnant sur la transition octupolaire électrique (E3) s'accordaient dans une incertitude de $7.7 \times 10^{-18}$.
  • Cela représente une amélioration significative par rapport à la précédente comparaison basée sur le GNSS (ROCIT 2022), qui présentait une incertitude de $2.8 \times 10^{-16}$.
  • Ce résultat confirme la cohérence d'horloges à ions construites indépendamment au niveau de $10^{-18}$.
• Performance de l'horloge $^{199}\text{Hg}$ :
  • L'horloge $^{199}\text{Hg}$ du LNE-OP a été comparée aux horloges $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ et $^{87}\text{Sr}$.
  • Les résultats ont montré un accord avec les valeurs de référence (dérivées d'un ajustement par moindres carrés de 2021) au niveau de $10^{-17}$.
  • La campagne a fourni de nouvelles mesures directes à plus faible incertitude pour les rapports $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ et $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$.
• Cohérence de l'horloge à réseau $^{171}\text{Yb}$ :
  • L'horloge à réseau $^{171}\text{Yb}$ de l'INRIM s'accordait avec l'horloge $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) du PTB dans une marge de $2.2 \times 10^{-17}$, confirmant la reproductibilité avec la campagne ROCIT 2022.
• Anomalies et incohérences :
  • PTB-Sr3 : Cette horloge a présenté un décalage de fréquence (probablement dû au laser de l'horloge) qui n'a pas pu être corrigé rétrospectivement. Par conséquent, ses rapports de fréquence absolus n'ont pas été rapportés, bien que ses données d'instabilité aient été utilisées pour évaluer les performances à court terme du réseau.
  • Discrepance $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ : Une divergence de $4\sigma$ a été observée entre le rapport INRIM/NPL $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ et les mesures antérieures de la collaboration BACON (NIST/JILA), bien qu'elle s'aligne avec les données RIKEN et les nouvelles données BACON. Cela met en lumière les défis persistants concernant la cohérence des rapports entre différentes espèces atomiques.

5. Importance

• Voie vers la redéfinition de la SI : Ces résultats constituent une étape cruciale vers la redéfinition de la seconde SI. Ils démontrent que la communauté métrologique internationale peut comparer de manière fiable des horloges optiques au-delà des frontières avec des incertitudes approchant $10^{-18}$, une condition préalable à l'adoption d'une transition optique comme nouvelle norme temporelle.
• Maturité du réseau fibré : L'étude prouve que le réseau européen de fibres optiques est une infrastructure robuste, avec un temps de fonctionnement élevé, capable de soutenir des campagnes métrologiques complexes à plusieurs nœuds avec une incertitude induite par la liaison négligeable.
• Au-delà de la métrologie : La technologie démontrée ici soutient des applications scientifiques plus larges, notamment :
  • Géodésie : Nivellement chronométrique pour mesurer les différences de potentiel géopotentiel.
  • Physique fondamentale : Tester la relativité générale, rechercher la matière noire et détecter des variations des constantes fondamentales.
  • Communication quantique : Permettre la distribution de clés quantiques sur de longues distances et la distribution de fréquence vers les radiotélescopes.

En conclusion, cet article représente une réalisation emblématique en métrologie mondiale, validant la faisabilité d'une future « seconde optique » en prouvant que des horloges optiques indépendantes peuvent être comparées internationalement avec une précision sans précédent.