Des horloges synchronisées avec précision ouvrent la voie à une nouvelle science

Nov 03, 2023

Des horloges à pendule du XVIIe siècle aux chronomètres de pointe basés sur les transitions atomiques, la capacité humaine à marquer le temps a considérablement évolué. Les chercheurs sont maintenant allés plus loin et ont montré que deux horloges peuvent être parfaitement synchronisées sur une distance de plusieurs centaines de kilomètres en utilisant beaucoup moins d'énergie qu'auparavant. Cette avancée ouvre la voie à la création de réseaux d'horloges synchronisées au sol et dans l'espace, ce qui pourrait faciliter les études géodésiques de la structure de la Terre et la recherche de matière noire et d'ondes gravitationnelles.

"C'est assez drôle quand on a autant de chiffres."

La plupart des gens, à l’exception peut-être des athlètes d’élite, ne pensent pas à des périodes de temps inférieures à une seconde. Mais Laura Sinclair, physicienne au National Institute of Standards and Technology de Boulder, Colorado, s'intéresse régulièrement à un domaine du temps totalement différent : les femtosecondes. Une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième (quadrillionième) de seconde, soit 15 chiffres après la virgule. Même les programmes informatiques ont souvent du mal à gérer ce niveau de précision, a déclaré Sinclair. "C'est assez drôle quand on a autant de chiffres."

Sinclair et ses collègues ont mené une expérience à Hawaï en utilisant des impulsions de lumière laser pour synchroniser avec précision et efficacité deux horloges jusqu'au niveau des attosecondes, les frères encore plus courts des femtosecondes.

Une autre équipe de chercheurs a récemment démontré une liaison similaire sur une distance de 113 kilomètres, mais leur expérience nécessitait des quantités d'énergie bien plus importantes et des instruments spécialisés compensant les turbulences atmosphériques.

Dans la nouvelle expérience, Sinclair et ses collaborateurs ont travaillé à l'observatoire du Mauna Loa, une station de recherche atmosphérique située sur le flanc nord du Mauna Loa, sur la grande île d'Hawaï. L'équipe a tiré deux lasers, chacun produisant des impulsions lumineuses 200 millions de fois par seconde, vers un petit télescope situé au sommet de Haleakalā à Maui. L'optique modifiée du télescope a renvoyé la lumière vers Mauna Loa, un aller-retour d'environ 300 kilomètres, et Sinclair et ses collègues ont enregistré les heures d'arrivée des impulsions individuelles, qui fonctionnent comme les « tics » d'une horloge très précise.

Comme les astronomes travaillant sur le Mauna Kea voisin, les chercheurs ont principalement collecté leurs données la nuit. Mais la lumière du soleil n’était pas ce que Sinclair et ses collègues espéraient éviter ; au lieu de cela, l’équipe a cherché à échapper aux nuages. Chaque matin, les nuages ​​ont tendance à s'élever jusqu'à l'altitude de l'observatoire Mauna Loa (environ 3 400 mètres) avant de finalement redescendre sous l'observatoire entre 17 heures et 22 heures. Un faible faisceau laser ne fait pas le poids face aux nuages, a déclaré Sinclair. "Cent cinquante kilomètres de nuages ​​suffisent pour arrêter votre faisceau laser proche infrarouge."

Les chercheurs ont synchronisé la sortie de leurs deux lasers avec une précision de 0,32 femtoseconde (320 attosecondes). C'est comparable à la précision obtenue avec une approche différente, mais les lasers utilisés par Sinclair et ses collaborateurs étaient alimentés par aussi peu que 270 femtowatts, soit 270 millionièmes de milliardième de watt. Des dizaines de nanowatts d'énergie étaient nécessaires auparavant, ces nouveaux résultats représentent donc une amélioration d'environ 10 000 fois la consommation d'énergie.

"Ce qui est vraiment impressionnant ici, c'est le peu d'énergie qu'ils ont utilisé."

Cette efficacité, qui se rapproche de ce qu'on appelle la limite quantique, permet de synchroniser l'heure à l'aide d'un matériel plus petit, une avancée essentielle pour un jour relier les horloges au sol et celles situées en orbite bien au-dessus de la Terre.

Cette avancée a été rendue possible grâce à un instrument connu sous le nom de peigne de fréquence programmable dans le temps, développé par Sinclair et ses collègues. L'appareil modifie la vitesse à laquelle un laser pulse, a déclaré Sinclair. "Nous pouvons ajuster dynamiquement le temps et la phase de sortie avec une précision de l'ordre de l'attoseconde." Cela a permis aux chercheurs d’utiliser toute la lumière reçue pour synchroniser les signaux pulsés, plutôt que d’en rejeter la majorité, comme c’était le cas auparavant. Lorsqu’une expérience gaspille de la lumière, il est nécessaire d’envoyer davantage de photons, ce qui nécessite de l’énergie. Sinclair et son équipe ont rapporté leurs résultats dans Nature.