Chaque fois que vous vérifiez l’heure sur votre téléphone, effectuez une transaction en ligne ou utilisez une application de navigation, vous dépendez de la précision des horloges atomiques.
Une horloge atomique garde l’heure en s’appuyant sur les « tics » des atomes qui oscillent naturellement à des fréquences stables. Les horloges atomiques actuelles fonctionnent en suivant les atomes de césium, qui tournent plus de 10 milliards de fois par seconde. Chacune de ces tiques est suivie avec précision à l’aide de lasers qui oscillent de manière synchronisée, aux fréquences micro-ondes.
Les scientifiques développent des horloges atomiques de nouvelle génération qui s'appuient sur des atomes encore plus rapides, tels que l'ytterbium, qui peuvent être suivis avec des lasers à des fréquences optiques plus élevées. Si elles peuvent rester stables, les horloges atomiques optiques pourraient suivre des intervalles de temps encore plus fins, jusqu’à 100 000 milliards de fois par seconde.
Aujourd'hui, les physiciens du MIT ont trouvé un moyen d'améliorer la stabilité des horloges atomiques optiques, en réduisant le « bruit quantique », une limitation fondamentale des mesures due aux effets de la mécanique quantique, qui obscurcit les oscillations pures des atomes. En outre, l’équipe a découvert qu’un effet du laser d’une horloge sur les atomes, auparavant considéré comme non pertinent, peut être utilisé pour stabiliser davantage le laser.
Les chercheurs ont développé une méthode pour exploiter une « phase globale » induite par laser dans les atomes d’ytterbium et ont renforcé cet effet grâce à une technique d’amplification quantique. La nouvelle approche double la précision d'une horloge atomique optique, lui permettant de discerner deux fois plus de ticks par seconde que la même configuration sans la nouvelle méthode. De plus, ils prévoient que la précision de la méthode devrait augmenter régulièrement avec le nombre d'atomes dans une horloge atomique.
Les chercheurs détaillent la méthode, qu'ils appellent spectroscopie de phase globale, dans une étude parue aujourd'hui dans la revue Nature. Ils envisagent que la technique de stabilisation d’horloge pourrait un jour permettre à des horloges atomiques optiques portables d’être transportées vers divers endroits pour mesurer toutes sortes de phénomènes.
« Avec ces horloges, les gens essaient de détecter la matière noire et l'énergie noire, et de tester s'il existe réellement quatre forces fondamentales, et même de voir si ces horloges peuvent prédire les tremblements de terre », explique l'auteur de l'étude Vladan Vuletić, professeur de physique Lester Wolfe au MIT. « Nous pensons que notre méthode peut contribuer à rendre ces horloges transportables et déployables là où elles sont nécessaires. »
Les co-auteurs de l'article sont Leon Zaporski, Qi Liu, Gustavo Velez, Matthew Radzihovsky, Zeyang Li, Simone Colombo et Edwin Pedrozo-Peñafiel, membres du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms et du MIT Research Laboratory of Electronics.
Temps de tic-tac
En 2020, Vuletić et ses collègues ont démontré qu'une horloge atomique pouvait être rendue plus précise en intriquant quantiquement les atomes de l'horloge. L’intrication quantique est un phénomène par lequel les particules peuvent se comporter de manière collective et hautement corrélée. Lorsque les atomes sont intriqués de manière quantique, ils redistribuent tout bruit ou incertitude dans la mesure des oscillations des atomes, de manière à révéler un « tick » plus clair et plus mesurable.
Dans leurs travaux précédents, l’équipe a induit une intrication quantique parmi plusieurs centaines d’atomes d’ytterbium qu’ils ont d’abord refroidis et piégés dans une cavité formée de deux miroirs incurvés. Ils ont envoyé un laser dans la cavité, qui a rebondi des milliers de fois entre les miroirs, interagissant avec les atomes et provoquant l'enchevêtrement de l'ensemble. Ils ont pu montrer que l'intrication quantique pouvait améliorer la précision des horloges atomiques existantes en réduisant essentiellement le bruit ou l'incertitude entre les taux de tic-tac du laser et ceux des atomes.
Mais à l’époque, ils étaient limités par l’instabilité du laser de l’horloge. En 2022, la même équipe a trouvé un moyen d'amplifier davantage la différence entre les taux de tic-tac des lasers et ceux des atomes grâce à « l'inversion du temps », une astuce qui repose sur l'enchevêtrement et le démêlage des atomes pour augmenter le signal acquis entre les deux.
Cependant, dans ce travail, l’équipe utilisait toujours des micro-ondes traditionnelles, qui oscillent à des fréquences beaucoup plus basses que celles que les atomes d’ytterbium peuvent fournir. C'était comme s'ils avaient minutieusement retiré une pellicule de poussière d'un tableau, pour ensuite le photographier avec un appareil photo basse résolution.
« Quand vous avez des atomes qui tic-tacent 100 000 milliards de fois par seconde, c'est 10 000 fois plus rapide que la fréquence des micro-ondes », explique Vuletić. « Nous ne savions pas à l'époque comment appliquer ces méthodes à des horloges optiques à haute fréquence qui sont beaucoup plus difficiles à maintenir stables. »
À propos de la phase
Dans leur nouvelle étude, l’équipe a trouvé un moyen d’appliquer son approche d’inversion du temps précédemment développée aux horloges atomiques optiques. Ils ont ensuite envoyé un laser qui oscille près de la fréquence optique des atomes intriqués.
« Le laser hérite en fin de compte du tic-tac des atomes », explique le premier auteur Zaporski. « Mais pour que cet héritage dure longtemps, le laser doit être assez stable. »
Les chercheurs ont découvert qu’ils étaient capables d’améliorer la stabilité d’une horloge atomique optique en tirant parti d’un phénomène que les scientifiques pensaient être sans conséquence sur le fonctionnement. Ils ont réalisé que lorsque la lumière est envoyée à travers des atomes enchevêtrés, l'interaction peut amener les atomes à monter en énergie, puis à revenir à leur état énergétique d'origine tout en conservant le souvenir de leur aller-retour.
« On pourrait penser que nous n'avons rien fait », dit Vuletić. « Vous obtenez cette phase globale des atomes, qui est généralement considérée comme non pertinente. Mais cette phase globale contient des informations sur la fréquence du laser. »
En d’autres termes, ils ont réalisé que le laser induisait un changement mesurable dans les atomes, même s’ils les ramenaient à leur état énergétique d’origine, et que l’ampleur de ce changement dépendait de la fréquence du laser.
« En fin de compte, nous recherchons la différence entre la fréquence du laser et la fréquence de transition atomique », explique le co-auteur Liu. « Lorsque cette différence est faible, elle est noyée dans le bruit quantique. Notre méthode amplifie cette différence au-dessus de ce bruit quantique. »
Dans leurs expériences, l’équipe a appliqué cette nouvelle approche et a découvert que grâce à l’intrication, elle était capable de doubler la précision de son horloge atomique optique.
« Nous avons constaté que nous pouvons désormais résoudre une différence presque deux fois plus petite dans la fréquence optique, ou la fréquence de tic-tac de l'horloge, sans heurter la limite du bruit quantique », explique Zaporski. « Bien que faire fonctionner des horloges atomiques soit en général un problème difficile, les avantages techniques de notre méthode faciliteront la tâche, et nous pensons que cela peut permettre des horloges atomiques stables et transportables. »
