Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

La course pour le tic-tac parfait

Imaginez le temps comme un fleuve. Depuis des siècles, nous mesurons son débit à l'aide d'un radeau simple, fiable, mais légèrement vacillant : l'horloge atomique basée sur les signaux micro-ondes (comme ceux de votre GPS). Ces horloges sont bonnes, mais elles ont une limite quant à la régularité qu'elles peuvent atteindre. Récemment, des scientifiques ont construit des horloges « optiques » qui utilisent la lumière au lieu des micro-ondes. Ces nouvelles horloges sont comme des bateaux de course à grande vitesse ; elles sont incroyablement rapides et précises, battant le rappel des centaines de milliers de fois plus souvent que les anciennes. Cependant, il y a un piège. Pour maintenir une échelle de temps parfaite (comme l'heure officielle pour le monde entier), vous avez besoin d'un « volant d'inertie » — un moteur stable qui maintient le mouvement fluide du bateau même lorsque le volant de direction (l'horloge ultra-précise) prend une pause pour se recharger ou se calibrer.

Actuellement, les meilleurs volants d'inertie dont nous disposons sont encore les anciens radeaux à micro-ondes (les masers à hydrogène). Ils sont robustes, mais ils oscillent trop à court terme. Cela signifie que même si vous possédez une horloge optique super-précise, vous ne pouvez pas pleinement exploiter sa puissance car l'ancien volant d'inertie tire tout le système vers le bas, créant un « plancher de bruit » qui cache la véritable perfection de l'horloge. La grande question dans le monde de la chronométrie est la suivante : pouvons-nous construire un nouveau type de volant d'inertie fait de lumière elle-même ? Si nous le pouvons, nous pourrions créer une échelle de temps aussi stable que les meilleures horloges optiques, ce qui pourrait mener à une redéfinition de la seconde elle-même. C'est le défi que les chercheurs de cet article se sont proposé de relever.

La machine temporelle entièrement optique

Dans cette étude, une équipe de scientifiques de JILA, NIST et Vector Atomic a décidé de ne plus utiliser les anciens volants d'inertie micro-ondes vacillants et de tenter quelque chose de radical : ils ont construit trois échelles de temps distinctes qui fonctionnent entièrement à la lumière. Au lieu de s'appuyer sur des masers à hydrogène pour maintenir le temps entre les vérifications, ils ont utilisé trois « volants d'inertie optiques » différents : deux cavités de silicium super-froides (pensez à des miroirs en silicium refroidis à des températures proches du zéro absolu pour empêcher tout tressautement) et une horloge optique à l'iode commerciale.

Pour maintenir ces moteurs à base de lumière sur leur trajectoire, l'équipe a utilisé une horloge à réseau optique au strontium hautement fiable comme « volant de direction ». Cette horloge maîtresse vérifiait la vitesse des trois volants d'inertie et effectuait de minuscules ajustements pour les maintenir synchronisés. L'équipe a mené cette expérience pendant plus de 20 jours, observant la manière dont ces trois échelles de temps entièrement optiques se comparaient les unes aux autres.

Les résultats constituent une avancée majeure. Lorsque les trois échelles de temps ont été comparées, elles sont restées incroyablement proches les unes des autres. Après seulement quelques jours de moyenne, leur instabilité relative est tombée en dessous de $10^{-16}$, un niveau de précision qu'un système traditionnel basé sur un maser mettrait des semaines à atteindre. Plus impressionnant encore, la différence de temps totale entre les trois échelles sur l'ensemble de la période de 20 jours était inférieure à 100 picosecondes (soit 0,0000000001 seconde). Pour mettre cela en perspective, si vous regardiez un film, cette erreur est si petite que vous ne remarqueriez même pas qu'une seule image manquait.

Les chercheurs ont également démontré qu'ils pouvaient convertir ces signaux optiques en signaux radio (ceux utilisés par nos appareils électroniques actuels) sans perdre de précision. Ils ont constaté que le processus de transformation de la lumière en ondes radio ajoutait moins de 2 picosecondes d'erreur, prouvant que ce nouveau système est prêt à communiquer avec notre technologie existante.

Cependant, l'article précise bien que ce n'est pas une baguette magique qui résoudra tout du jour au lendemain. Le système dépend toujours de la disponibilité de l'horloge au strontium pour assurer la direction. Lorsque l'horloge maîtresse faisait une pause (ce qui arrivait environ 6 heures par période), les échelles de temps s'écartaient légèrement, accumulant environ 20 picosecondes de différence par intervalle. Mais même avec ces interruptions, les performances étaient bien supérieures à ce qui est possible avec la technologie actuelle. Les auteurs suggèrent qu'à mesure que les volants d'inertie optiques deviendront plus fiables et que les horloges maîtresses fonctionneront pendant des périodes plus longues, ces échelles de temps entièrement optiques pourraient devenir la norme future pour la mesure du temps, remplaçant finalement les anciens systèmes basés sur les micro-ondes.

En bref, l'article démontre qu'il est possible de construire une échelle de temps qui vit entièrement dans le monde de la lumière, offrant un niveau de stabilité que les anciennes méthodes micro-ondes ne peuvent tout simplement pas égaler. C'est une preuve de concept que l'avenir de la chronométrie pourrait bien briller un peu plus fort que nous ne le pensions.