Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont effectué la comparaison coordonnée la plus étendue des horloges optiques à ce jour par des horloges opérationnelles et les liens les reliant simultanément dans six pays. S'étendant des milliers de kilomètres, l'expérience représente une étape significative vers la redéfinition du second et, finalement, l'établissement d'une échelle de temps optique globale.
« Les signaux de temps et de fréquence précis fournis par les horloges atomiques sont essentiels pour de nombreuses technologies quotidiennes, comme le GPS, la gestion des réseaux électriques et le maintien des transactions financières en synchronisation », a déclaré Helen Margolis, à la tête du temps et de la fréquence au National Physical Laboratory (NPL) au Royaume-Uni.
« Nos résultats pourraient aider à améliorer les performances des horloges optiques de nouvelle génération, à déclencher des applications entièrement nouvelles et à faire progresser les efforts scientifiques qui reposent sur le temps et la fréquence. »
Les horloges optiques sont un type d'horloge atomique qui utilise des lasers pour exciter les atomes de manière contrôlée qui fait déplacer les atomes entre les niveaux d'énergie spécifiques. Ces changements se produisent à des fréquences très précises, qui servent de « tiques » de l'horloge. Parce que ces horloges se présentent sous différentes formes, chacune utilisant différents atomes pour garder le temps, réalisant le plein potentiel de ces chronométreurs de précision nécessite de les comparer sur de longues distances.
Dans Opticaun groupe multi-institutionnel de chercheurs rapporte que les résultats de 38 comparaisons – ou des rapports de fréquence – ont performé simultanément avec dix horloges optiques différentes. Quatre de ces comparaisons ont été effectuées directement pour la première fois, et bon nombre des autres ont été mesurées avec une précision beaucoup plus grande qu'auparavant.
« Ces mesures fournissent des informations essentielles sur les travaux nécessaires pour les horloges optiques afin d'atteindre la précision et la fiabilité requises pour une utilisation dans le chronomètre international », a déclaré Marco Pizzocaro, chercheur principal à l'Instituto Nazionale Di Ricerca Metrologica (INRIM) en Italie.
« Notre expérience a également montré comment les horloges optiques à travers l'Europe peuvent être liées pour mesurer les ratios de fréquence avec une précision de pointe. Cela crée un laboratoire distribué, qui pourrait également être utilisé pour effectuer des tests de physique fondamentale, tels que la recherche de matière sombre ou tester les règles de base de la physique. »
Les horloges optiques sont-elles prêtes?
Depuis des décennies, la norme mondiale pour le maintien du temps est basée sur une moyenne de signaux des horloges atomiques micro-ondes du césium dans le monde. Cependant, comme la précision et la stabilité des horloges optiques se sont régulièrement améliorées, il y a une dynamique croissante pour redéfinir le système international d'unités en deuxième position pour utiliser les horloges optiques à la place.
Les horloges optiques sont maintenant environ 100 fois plus précises que les meilleures horloges de césium et peuvent mesurer le temps avec précision qu'ils perdraient ou gagneraient moins d'une seconde sur des milliards d'années.
Cependant, l'utilisation d'horloges optiques pour le chronométrage international nécessite de comparer les données entre diverses horloges optiques pour vérifier qu'elles fonctionnent comme prévu. Pour faire progresser ce travail, les chercheurs ont effectué une comparaison hautement coordonnée des horloges optiques dans six pays dans le cadre d'un grand projet collaboratif.
« Comparer plusieurs horloges en même temps et utiliser plus d'un type de technologie de liaison fournit bien plus d'informations que les comparaisons d'horloge principalement par paires qui ont été effectuées à ce jour », a déclaré Thomas Lindvall, scientifique principal chez VTT Mikes en Finlande.
« Avec un ensemble coordonné de mesures, il devient possible de vérifier la cohérence tout en fournissant des résultats plus fiables. Ces résultats peuvent aider à déterminer quelle (s) horloge (s) optique doit être utilisée dans la nouvelle définition de la seconde. »
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Reliant les horloges
Pour effectuer les mesures, les chercheurs ont dû relier les sorties de fréquence des différents systèmes d'horloge optique. Ils l'ont fait en utilisant deux méthodes: les signaux radio des satellites et la lumière laser se déplaçant à travers les fibres optiques.
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La méthode satellite a utilisé des signaux GPS du système de navigation par satellite, qui était disponible pour toutes les horloges incluses dans l'étude. Cependant, cette technique de liaison a une précision limitée en raison des incertitudes de mesure causées par des facteurs tels que le bruit du signal ou les limites d'instruments.
Les chercheurs ont également utilisé des liaisons de fibres optiques personnalisées, ce qui a permis des mesures avec 100 fois plus de précision que la technique satellite. Cependant, ces connexions stables et de haute précision ne pouvaient être utilisées que pour connecter des horloges en France, en Allemagne et en Italie pendant la comparaison internationale.
De plus, les comparaisons locales en Allemagne et au Royaume-Uni – où plusieurs horloges étaient situées dans le même institut – se sont déroulées avec des fibres optiques courtes, ce qui a encore réduit l'incertitude.
Les chercheurs ont déclaré que la coordination du fonctionnement simultané de dix horloges hautes performances dans divers pays et que tous les liens reliant les horloges nécessitaient une planification approfondie qui a commencé bien avant les mesures. L'analyse des données a également apporté des défis.
« Tous les résultats n'ont pas confirmé ce à quoi nous nous attendions, et nous avons observé certaines incohérences dans les mesures », a déclaré Rachel Godun, scientifique principal de la NPL. « Cependant, comparer autant d'horloges à la fois et utiliser plus d'une technique pour lier les horloges a facilité l'identification de la source du problème. »
L'expérience a identifié certains domaines où plus de travail est nécessaire. Par exemple, pour confirmer que toutes les horloges fonctionnent comme prévu, les incertitudes de mesure doivent être réduites pour correspondre à la précision des horloges elles-mêmes.
Des mesures répétées seront ensuite nécessaires pour confirmer l'opération fiable nécessaire pour renforcer la confiance dans les horloges et les liens. Au-delà de cela, plusieurs autres critères doivent également être remplis avant de redéfinir la seconde, notamment en prouvant que les horloges optiques peuvent contribuer régulièrement et de manière cohérente aux échelles de temps internationales.
