L’équipe chinoise synchronise les horloges sur une distance record à l’aide de lasers

Des physiciens ont mis au point un moyen de synchroniser le tic-tac de deux horloges dans les airs avec une extrême précision, sur une distance record de 113 kilomètres.

L’exploit est une étape vers la redéfinition de la seconde à l’aide d’horloges optiques – des garde-temps 100 fois plus précis que les horloges atomiques sur lesquelles le temps universel coordonné (UTC) est actuellement basé.

Les métrologues espèrent utiliser des horloges optiques pour redéfinir la seconde en 2030. Mais un obstacle qui se dresse sur leur chemin est la nécessité de trouver un moyen fiable de transmettre des signaux entre des horloges optiques dans des laboratoires de différents continents, afin de comparer leurs sorties. En pratique, cela signifiera probablement transmettre l’heure des horloges à travers l’air et l’espace, aux satellites. Mais c’est un défi car l’atmosphère interfère avec les signaux.

Une équipe dirigée par Jian-Wei Pan, physicien à l’Université des sciences et technologies de Chine à Hefei, a réussi à envoyer des impulsions précises de lumière laser entre les horloges de stations distantes de 113 kilomètres dans la province chinoise du Xinjiang.¹. C’est sept fois le record précédent² de 16 kilomètres.

Le résultat, publié dans La nature¹ le 5 octobre, est “exceptionnel”, estime David Gozzard, physicien expérimental à l’Université d’Australie-Occidentale à Perth. Atteindre un niveau de synchronisation aussi élevé sur cette distance dans l’air représente “un progrès significatif dans la capacité de faire cela entre un satellite et le sol”, ajoute-t-il.

La synchronisation d’horloges hyper-précises dans des endroits difficiles d’accès pourrait également présenter des avantages ailleurs dans la recherche, explique Tetsuya Ido, directeur du Space-Time Standards Laboratory au Radio Research Institute de Tokyo. Par exemple, les horloges pourraient être utilisées pour tester la théorie de la relativité générale, qui dit que le temps devrait passer plus lentement dans des endroits où la gravité est plus forte, comme à basse altitude. La comparaison du tic-tac de deux horloges optiques pourrait même révéler de subtils changements dans les champs gravitationnels causés par le mouvement des masses – par exemple en déplaçant les plaques tectoniques – dit-il.

Horloges de nouvelle génération

Depuis 1967, la seconde est définie par des horloges atomiques utilisant des atomes de césium 33 : une seconde est le temps qu’il faut pour parcourir 9 192 631 770 oscillations du rayonnement micro-onde que les atomes absorbent et émettent lorsqu’ils basculent entre certains états. Aujourd’hui, les horloges optiques utilisent le “tic-tac” à haute fréquence d’éléments tels que le strontium et l’ytterbium, ce qui leur permet de découper le temps en fractions encore plus fines.

Cependant, l’heure officielle ne peut pas être générée à l’aide d’une seule horloge. Les métrologues doivent faire la moyenne de la production de centaines de garde-temps à travers le monde. Pour les horloges au césium, l’heure peut être transmise par des signaux micro-ondes, mais le rayonnement micro-ondes est trop basse fréquence pour transmettre le tic haute fréquence des horloges optiques.

L’envoi de signaux dans l’air à des longueurs d’onde optiques n’est pas aussi simple que l’envoi de micro-ondes, car les molécules dans l’air absorbent facilement la lumière, ce qui réduit considérablement la force du signal. De plus, la turbulence peut envoyer un faisceau laser hors de la cible. Pour comparer les horloges optiques, les physiciens se sont jusqu’à présent principalement appuyés sur la transmission de signaux via des câbles à fibres optiques ou sur le transport des montres volumineuses et complexes elles-mêmes, pour les comparer côte à côte. Mais ces méthodes ne sont pas pratiques pour créer le type de réseau mondial nécessaire pour définir le second.

L’équipe de Pan a réussi en combinant plusieurs développements mineurs, explique Gozzard. Pour créer leur signal, les chercheurs ont utilisé des peignes de fréquence optique – des dispositifs qui produisent des impulsions de lumière laser extrêmement stables et précises – et ont augmenté leur sortie à l’aide d’amplificateurs haute puissance, afin de minimiser la perte de signal lorsque les impulsions se propageaient dans l’air. L’équipe a également réglé et optimisé les récepteurs afin qu’ils puissent capter des signaux de faible puissance et suivre automatiquement la direction du laser entrant.

Le groupe a envoyé des intervalles de temps en utilisant deux longueurs d’onde de lumière visible et en a transmis une autre via une liaison par fibre optique. En comparant les infimes différences entre les signaux captés au niveau des récepteurs, les chercheurs ont montré que, mesurés sur des heures, ils pouvaient diffuser le tic-tac avec une stabilité suffisamment élevée pour ne perdre ou gagner qu’une seconde environ tous les 80 milliards d’années. Le niveau de précision était comparable à celui des horloges optiques.

Pas encore là

Bien que cette méthode de transfert soit la plus stable que l’humanité ait jusqu’à présent, elle devra encore être améliorée pour correspondre à la stabilité des meilleures horloges optiques, explique Gozzard.

Une autre limitation est que l’expérience a été réalisée dans une région éloignée avec des conditions atmosphériques optimales, explique Ido. “L’humidité est assez faible et la turbulence de l’air pourrait être plus calme que dans les zones urbaines conventionnelles”, dit-il. Les études futures devront vérifier dans quelle mesure la méthode fonctionne dans d’autres endroits.

Mais l’expérience semble être un bon indicateur pour envoyer de tels signaux dans l’espace, déclare Helen Margolis, physicienne au National Physical Laboratory de Teddington, au Royaume-Uni. La quantité de turbulences attendue sur 113 kilomètres au sol est comparable à celle sur le trajet du sol vers un satellite, dit-elle.

La transmission par satellite sera confrontée à un autre obstacle – les horloges seront en orbite à grande vitesse, ce qui modifie la fréquence de leurs signaux, explique Gozzard.

Pan dit que c’est l’un des prochains défis que son équipe devra relever. L’équipe a précédemment développé des technologies pour un satellite de communication quantiqueet les utilise maintenant pour développer des moyens de transmission entre les horloges optiques en orbite géostationnaire et au sol.

En utilisant des horloges optiques dans l’espace, il serait également “possible de fournir de nouvelles sondes pour la physique fondamentale, comme la chasse à la matière noire et la détection des ondes gravitationnelles”, ajoute Pan.