L’équipe chinoise synchronise l’horloge à une distance record à l’aide d’un laser

Des physiciens ont trouvé le moyen de synchroniser avec précision les battements de deux heures dans les airs, sur une distance record de 113 kilomètres.

Cette prouesse est une étape vers la redéfinition de la seconde avec une horloge optique – une minuterie 100 fois plus précise que l’horloge atomique sur laquelle UTC est basé aujourd’hui.

Les métrologues espèrent utiliser des horloges optiques pour redéfinir la seconde d’ici 2030. Mais l’obstacle qui se dresse sur leur chemin est la nécessité de trouver un moyen fiable de transmettre les signaux entre les horloges optiques des laboratoires de différents continents, afin de comparer les résultats. En pratique, cela signifiera probablement la transmission d’heures de temps dans les airs et l’espace vers des satellites. Mais cela représente un défi car l’atmosphère interfère avec le signal.

Une équipe dirigée par Jian Wei Pan, physicien à l’Université des sciences et technologies de Chine à Hefei, a réussi à transmettre de minuscules impulsions de lumière laser entre les heures à une station située à 113 kilomètres dans la province chinoise du Xinjiang.¹. C’est sept fois le record précédent² 16 kilomètres.

Les résultats ont été publiés dans tempérament¹ Le 5 octobre a été “fantastique”, a déclaré David Guzard, physicien expérimental à l’Université d’Australie-Occidentale à Perth. Atteindre un niveau élevé de synchronisation à cette distance de l’air, a-t-il ajouté, est une “avancée significative dans la capacité de faire cela entre les satellites et la Terre”.

La synchronisation d’horloges ultra-précises dans des endroits difficiles d’accès pourrait également présenter des avantages dans d’autres sites de recherche, a déclaré Tetsuya Ido, directeur du Space-time Standards Laboratory au Radio Research Institute de Tokyo. Par exemple, une horloge peut être utilisée pour tester la théorie générale de la relativité, qui stipule que le temps s’écoulera plus lentement dans les endroits où la gravité est plus forte, comme à basse altitude. La comparaison du battement de deux horloges optiques peut révéler des changements subtils dans le champ gravitationnel causés par le mouvement des masses – par exemple en déplaçant des plaques tectoniques – a-t-il déclaré.

montre nouvelle génération

Depuis 1967, la seconde est déterminée par des horloges atomiques utilisant des atomes de césium 33 : une seconde est le temps nécessaire pour parcourir 9 192 631 770 impulsions de rayonnement micro-ondes que les atomes absorbent et émettent lorsqu’ils se déplacent entre certains états. Aujourd’hui, les horloges optiques utilisent des « cloches » à haute fréquence à partir d’éléments tels que le strontium et l’ytterbium, ce qui leur permet de diviser le temps en parties plus fines.

Cependant, l’heure officielle ne peut pas être créée en utilisant une seule heure. Les métrologues doivent calculer la production moyenne de centaines d’heures dans le monde. Pour une horloge au césium, l’heure peut être transmise via un signal micro-onde, mais le rayonnement micro-onde est trop faible pour transmettre le signal haute fréquence de l’horloge optique.

L’envoi de signaux dans l’air à des longueurs d’onde optiques n’est pas aussi simple que la transmission de micro-ondes, car les particules dans l’air absorbent facilement la lumière, ce qui réduit considérablement la force du signal. De plus, l’interférence peut éloigner le faisceau laser 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 la transmission d’horloges volumineuses et complexes elles-mêmes, pour les comparer côte à côte. Mais cette méthode est peu pratique pour créer le type de réseau global requis pour définir le second.

L’équipe de Pan a réussi en combinant plusieurs petits développements, a déclaré Guzzard. Pour créer leur signal, les chercheurs ont utilisé un peigne de fréquence optique – un appareil qui produit des impulsions de lumière laser très précises et stables – et ont augmenté leur production avec un amplificateur haute puissance pour réduire la perte de signal lorsque les impulsions se propagent dans l’air. L’équipe a également réglé et amélioré le récepteur afin qu’il puisse capter des signaux de faible puissance et suivre automatiquement la direction du laser entrant.

Le groupe a envoyé un créneau horaire en utilisant deux longueurs d’onde de lumière visible et un sur une liaison par fibre optique. En comparant les petites différences entre les signaux captés au niveau des récepteurs, les chercheurs ont montré que, mesurés sur plusieurs heures, ils pouvaient disperser les tiques suffisamment haut pour ne perdre ou gagner qu’une seconde tous les 80 milliards d’années. Le niveau de précision est le même que celui d’une horloge lumineuse.

Il n’y en a pas encore

Bien que cette méthode de transmission soit la plus stable pour l’humanité à ce jour, elle nécessitera des améliorations supplémentaires pour correspondre à la meilleure stabilité d’horloge optique, a déclaré Guzzard.

Une autre limitation, a déclaré Ido, est que l’expérience a été menée dans des régions éloignées avec des conditions météorologiques idéales. “L’humidité est très faible et la turbulence de l’air peut être beaucoup plus silencieuse que dans un environnement urbain traditionnel”, a-t-il déclaré. Des études futures doivent vérifier dans quelle mesure cette méthode fonctionne sur d’autres sites.

Helen Margulies, physicienne au National Physical Laboratory de Teddington, en Angleterre, a déclaré que l’expérience semblait être une bonne alternative à l’envoi de tels signaux dans l’espace. Il a déclaré que la quantité estimée de turbulences sur 113 kilomètres sur Terre était la même que celle qui s’est produite en route de la Terre vers le satellite.

Les transmissions par satellite seront confrontées à un autre obstacle – les horloges tourneront en orbite à grande vitesse, modifiant la fréquence de leurs signaux, a déclaré Gozard.

Ban a déclaré que c’était l’un des prochains défis auxquels son équipe serait confrontée. L’équipe a précédemment développé la technologie pour Satellite de communication quantiqueIls sont aujourd’hui utilisés pour développer des méthodes de transmission entre horloges optiques en orbite géostationnaire et sur Terre.

En utilisant une horloge optique dans l’espace, il sera également possible de “fournir de nouveaux capteurs pour la physique de base, comme la recherche de matière noire et la détection des ondes gravitationnelles”, a ajouté Ban.