Les horloges atomiques de nouvelle génération sont un pas de plus vers les applications du monde réel

Travaillant en collaboration avec et en partie financée par le Defence Science and Technology Laboratory (Dstl) du Royaume-Uni, une équipe de physiciens quantiques a conçu de nouvelles approches qui non seulement réduisent la taille de leur horloge, mais la rendent également suffisamment robuste pour être transportée hors du laboratoire et employé dans le « monde réel ».

Les horloges quantiques – ou atomiques – sont largement considérées comme essentielles pour des approches de plus en plus précises dans des domaines tels que les communications en ligne à travers le monde, les systèmes de navigation ou le commerce mondial des actions, où des fractions de secondes pourraient faire une énorme différence économique. Les horloges atomiques avec des fréquences d’horloge optiques peuvent être 10 000 fois plus précises que leurs homologues à micro-ondes, ouvrant la possibilité de redéfinir l’unité de mesure standard (SI).

Des horloges optiques encore plus avancées pourraient un jour faire une différence significative à la fois dans la vie quotidienne et dans la science fondamentale. En autorisant des périodes plus longues entre les besoins de resynchronisation que les autres types d’horloge, elles offrent une résilience accrue pour l’infrastructure de synchronisation nationale et débloquent les futures applications de positionnement et de navigation pour les véhicules autonomes. La précision inégalée de ces horloges peut également nous aider à voir au-delà des modèles physiques standard et à comprendre certains des aspects les plus mystérieux de l’univers, notamment la matière noire et l’énergie noire. De telles horloges aideront également à répondre à des questions fondamentales de physique telles que si les constantes fondamentales sont vraiment des “constantes” ou si elles varient avec le temps.

Le chercheur principal, le Dr Yogeshwar Kale, a déclaré : « La stabilité et la précision des horloges optiques les rendent cruciales pour de nombreux réseaux d’information et communications futurs. Une fois que nous avons un système prêt à être utilisé en dehors du laboratoire, nous pouvons les utiliser, par exemple, des réseaux de navigation au sol où toutes ces horloges sont connectées via la fibre optique et commencent à communiquer entre elles. De tels réseaux réduiront notre dépendance aux systèmes GPS, qui peuvent parfois tomber en panne.

“Ces horloges optiques transportables contribueront non seulement à améliorer les mesures géodésiques – les propriétés fondamentales de la forme de la Terre et des variations de gravité – mais serviront également de précurseurs pour surveiller et identifier les signaux géodynamiques comme les tremblements de terre et les volcans à des stades précoces.”

Bien que ces horloges quantiques progressent rapidement, les principaux obstacles à leur déploiement sont leur taille – les modèles actuels sont livrés dans une camionnette ou une remorque de voiture et pèsent environ 1500 litres – et leur sensibilité aux conditions environnementales limitant leur transport entre différents endroits.

L’équipe de Birmingham, basée au Royaume-Uni Quantum Technology Hub Sensors and Timing, a mis au point une solution qui répond à ces deux défis dans un emballage qui est une “boîte” d’environ 120 litres qui pèse moins de 75 kg. L’ouvrage est publié dans Science et technologie quantiques.

Un porte-parole de Dstl a ajouté : “Dstl considère la technologie d’horloge optique comme un catalyseur clé des capacités futures du ministère de la Défense. Ces types d’horloges ont le potentiel de façonner l’avenir en donnant aux infrastructures nationales une résilience accrue et en changeant la façon dont les réseaux de communication et de capteurs sont conçus. Avec le soutien de Dstl, l’Université de Birmingham a réalisé des progrès significatifs dans la miniaturisation de nombreux sous-systèmes d’une horloge à réseau optique et, ce faisant, a surmonté de nombreux défis techniques importants. Nous attendons avec impatience de voir quels progrès supplémentaires ils peuvent faire dans ce domaine. domaine passionnant et en évolution rapide.”

Les horloges fonctionnent en utilisant des lasers pour produire puis mesurer des oscillations quantiques dans les atomes. Ces oscillations peuvent être mesurées avec une grande précision et, à partir de la fréquence, il est possible de mesurer également le temps. Un défi consiste à minimiser les influences extérieures sur les mesures, telles que les vibrations mécaniques et les interférences électromagnétiques. Pour ce faire, les mesures doivent avoir lieu dans le vide et avec un minimum d’interférences externes.

Au cœur de la nouvelle conception se trouve une chambre à ultra-vide, plus petite que toutes celles encore utilisées dans le domaine de la mesure du temps quantique. Cette chambre peut être utilisée pour piéger les atomes, puis les refroidir très près de la valeur du “zéro absolu” afin qu’ils atteignent un état où ils peuvent être utilisés pour des capteurs quantiques de précision.

L’équipe a démontré qu’elle pouvait capturer près de 160 000 atomes ultra-froids dans la chambre en moins d’une seconde. De plus, ils ont montré qu’ils pouvaient transporter le système sur 200 km, avant de le configurer pour qu’il soit prêt à prendre des mesures en moins de 90 minutes. Le système a pu survivre à une élévation de température de 8 degrés au-dessus de la température ambiante pendant le voyage.

Le Dr Kale a ajouté : « Nous avons pu montrer un système robuste et résilient, qui peut être transporté et installé rapidement par un seul technicien qualifié. Cela nous rapproche de l’utilisation de ces instruments quantiques de haute précision dans des environnements difficiles. paramètres en dehors d’un environnement de laboratoire.