Entre les montagnes d’Hawai’i, des scientifiques innovants montrent un chronométrage de précision à la limite quantique. —
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L’année dernière, des scientifiques ont conduit le volcan Mauna Loa à Hawai’i, pointé un laser sur un réflecteur positionné sur le pic Haleakala à Maui et envoyé des impulsions rapides de lumière laser à travers 150 kilomètres d’air turbulent. Alors que les impulsions étaient extrêmement faibles, elles ont démontré une capacité recherchée depuis longtemps par les physiciens : transmettre des signaux horaires extrêmement précis dans l’air entre des endroits éloignés à des puissances compatibles avec les futures missions spatiales.
Les résultats, obtenus par une équipe comprenant des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), pourraient permettre un transfert de temps du sol vers des satellites distants de 36 000 kilomètres en orbite géosynchrone, où ils sont suspendus au-dessus d’un point à la surface de la Terre. La méthode permettrait cette synchronisation temporelle avec une précision femtoseconde – 10 000 fois meilleure que les approches satellitaires de pointe existantes. Cela permettrait également une synchronisation réussie en utilisant la force minimale du signal de synchronisation, ce qui rendrait le système très robuste face aux perturbations atmosphériques.
La coordination de réseaux d’appareils distants à ce degré sensiblement plus élevé offre plusieurs possibilités intrigantes. Alors que les dernières horloges atomiques optiques sont extraordinairement précises, la comparaison d’horloges séparées par des continents nécessite une méthode de signalisation capable de transmettre cette précision sur de grandes distances, et les méthodes actuelles basées sur les micro-ondes ne fournissent pas la fidélité nécessaire. La nouvelle approche pourrait permettre aux horloges optiques des côtés opposés de la planète d’être reliées par un satellite géosynchrone sans aucune pénalité, soutenant la future redéfinition de la seconde SI en une norme optique. Relier les horloges atomiques optiques du monde entier pourrait également conduire à une gamme de mesures de physique fondamentale allant de l’exploration de la matière noire au test de la relativité générale.
Toutes les possibilités ne nécessiteraient pas d’horloges atomiques optiques : la capacité de synchroniser un réseau de capteurs largement séparés pourrait faire progresser l’interférométrie à très longue base (VLBI) pour des applications telles que l’amélioration de l’imagerie des trous noirs.
“Ce type de détection cohérente distribuée serait sans précédent”, a déclaré Laura Sinclair, physicienne au campus Boulder du NIST et auteur du document de recherche de l’équipe, qui paraît aujourd’hui dans la revue Nature. “Nous envisageons d’utiliser ces réseaux de capteurs pour observer l’espace et la Terre. La mise en œuvre de ces réseaux dépend de la connexion d’horloges optiques très précises, et nos résultats indiquent que nous disposons désormais d’un outil capable de le faire.”
L’expérience a montré que le signal horaire à haute fréquence fourni par une horloge optique peut être envoyé et reçu par la création la plus récente de l’équipe, le peigne de fréquence programmable dans le temps, qui est une innovation sur la technologie des peignes de fréquence. C’est ce nouveau peigne de fréquence qui a rendu les résultats possibles, a déclaré Sinclair.
“La fonctionnalité étendue du peigne de fréquence programmable dans le temps nous a permis de faire ces mesures”, a déclaré Sinclair. “Nous n’aurions pas pu obtenir ces résultats sans cela.”
Un faisceau lumineux voyageant de la Terre vers l’orbite géosynchrone doit traverser les couches souvent nuageuses et agitées de notre atmosphère. Pour démontrer en principe la capacité du signal à atteindre un satellite sans se perdre en transit, l’équipe a installé son nouveau peigne de fréquence et un réflecteur sur deux montagnes distantes de 150 km : en hauteur sur le flanc du Mauna Loa et au sommet du Haleakala, tous deux à Hawaii. L’envoi de la lumière en peigne à fréquence programmable dans le temps à Haleakala et la réception de la réflexion ont démontré que le signal pouvait pénétrer beaucoup plus de problèmes atmosphériques qu’il n’en rencontrerait en se déplaçant vers une orbite géosynchrone.
Non seulement l’aller-retour a réussi, mais il l’a fait même à la puissance minimale du signal nécessaire pour synchroniser les appareils – une intensité que les physiciens appellent la “limite quantique”. Comme ils l’ont montré dans leurs travaux précédents, le peigne de fréquence programmable dans le temps des chercheurs est capable de fonctionner à cette limite quantique, où moins d’un photon sur un milliard atteint son appareil cible. Cela a fonctionné même lorsque le laser n’envoyait que 40 microwatts de puissance, soit environ 30 fois moins que ce qu’un pointeur laser utilise. (Les impulsions du peigne de fréquence sont de la lumière infrarouge, invisible à l’œil nu.)
“Nous voulions pousser le système à ses limites, et nous avons montré que vous pouvez conserver un haut niveau de performance tout en utilisant une puissance de transmission et une taille d’ouverture réalistes pour les futurs systèmes satellitaires”, a déclaré Sinclair. “La robustesse de ce système pour bien fonctionner non seulement lorsque nous recevons moins d’un milliardième de la lumière que nous transmettons, mais aussi lorsque la quantité de lumière que nous perdons change rapidement, est de bon augure pour former l’épine dorsale de la synchronisation des futurs réseaux de détection.”
Pour l’avenir, l’équipe du NIST travaille à réduire la taille, le poids et la puissance de son système, et à l’adapter pour fonctionner avec des plates-formes mobiles.
