L’horloge atomique la plus précise au monde repousse les limites de la physique.

L’horloge atomique la plus précise au monde repousse les limites de la physique.
L’horloge atomique la plus précise au monde repousse les limites de la physique.

Des chercheurs américains du National Institute of Standards and Technology (NIST) viennent de réaliser un petit bijou : ils ont récemment annoncé la mise en service de l’horloge atomique la plus précise jamais construite.

Ce sont les instruments de mesure du temps les plus avancés au monde, à tel point qu’ils ont radicalement changé le visage de notre civilisation. Le temps fourni par les horloges atomiques est aujourd’hui la base de tous les systèmes modernes de communication et de navigation. On peut également citer le monde de financequi s’appuie sur des horodatages extrêmement précis pour garantir l’authenticité des transactions sur différents marchés, ou l’infrastructure web, qui nécessite une synchronisation quasi parfaite pour maintenir l’intégrité et la sécurité des données. Il en va de même pour Recherche scientifiquesurtout en physique fondamentale ; sans cette capacité à mesurer le temps de manière très précise, l’humanité aurait été privée de nombreuses découvertes très importantes.

Dans tous ces cas, les bonnes vieilles montres à quartz ne sont plus adaptées. Pour atteindre une telle précision, les scientifiques ont donc choisi de s’appuyer sur les propriétés quantiques de la matière aux plus petites échelles.

La danse quantique des atomes au service de la mesure du temps

Les noyaux de certains atomes tournent constamment sur eux-mêmes, ce qui leur confère des propriétés magnétiques. En même temps, ils sont entourés d’électrons répartis sur différentes « orbites » qui correspondent à différents niveaux d’énergie. Eux aussi ont des propriétés magnétiques. Les interactions entre ces deux systèmes magnétiques donnent lieu à un phénomène quelque peu inhabituel : l’atome peut exister à deux niveaux d’énergie distincts, avec une différence infime mais néanmoins mesurable entre les deux. C’est ce qu’on appelle la structure hyperfine.

Lorsque l’atome est bombardé d’ondes électromagnétiques parfaitement calibrées, il commence à alterner entre les deux niveaux d’énergie à un rythme très élevé et, surtout, incroyablement précis. Par exemple, le césium 133, qui est utilisé dans de nombreuses horloges atomiques, vibre de manière très précise 9 192 631 770 fois par seconde lorsqu’il est inondé de micro-ondes.

Des physiciens du NIST travaillent sur une horloge atomique au césium d’ancienne génération. © National Institute of Standards and Technology

C’est cette régularité exceptionnelle qui permet de chronométrer les événements avec une précision époustouflante. Une horloge au césium 133, par exemple, perd environ une seconde tous les 315 millions d’annéesPour référence, une montre à quartz classique perd généralement une seconde tous les quelques jours.

Une nouvelle génération d’horloges atomiques optiques

Mais à mesure que la science et la technologie progressent, les exigences de précision augmentent également. De manière incroyable, même les horloges atomiques au césium commencent à montrer leurs limites dans certains cas, notamment lorsqu’il s’agit de tester les limites des modèles qui sous-tendent notre compréhension de l’Univers. Les spécialistes travaillent donc sur une nouvelle génération horloges atomiques optiques. C’est à cette catégorie qu’appartient la nouvelle création du NIST.

Contrairement aux modèles plus anciens, ces appareils utilisent la lumière visible, dont la fréquence est bien supérieure à celle des micro-ondes. Cela permet d’examiner les atomes en question plus de fois par seconde. Mais pour tirer parti de cette fréquence plus élevée, il faut également trouver des atomes qui changent de niveau d’énergie à un rythme plus élevé.

Une horloge atomique optique à ytterbium conçue par le NIST. © N. Phillips / NIST

Certaines de ces horloges sont basées sur des éléments comme l’ytterbium ou le strontium, qui vibrent plusieurs centaines de milliards de fois par secondeC’est ce dernier que les physiciens américains ont utilisé pour concevoir leur nouvelle horloge.

Ils ont piégé quelques dizaines de milliers d’atomes de strontium dans un maillage de faisceaux laser. Ce nombre élevé et ce piège électromagnétique permettent d’éliminer statistiquement d’éventuelles erreurs de mesure. On se retrouve donc avec un système d’une précision incroyable. Selon ses concepteurs, cette horloge atomique optique au strontium ne perdrait queune seconde toutes les… 30 milliards d’années — plus de deux fois l’âge de l’Univers ! Une perspective très enthousiasmante pour l’ensemble de la communauté scientifique.

Implications pour la navigation et l’informatique quantique…

Pour commencer, cette précision pourrait révolutionner des disciplines commeastronautiqueDans ce domaine, une erreur apparemment négligeable peut faire la différence entre arriver à portée de la planète cible… ou la rater de plusieurs centaines de milliers de kilomètres, et ainsi dériver vers les confins de l’espace. Avec un chronomètre aussi fiable, il sera possible de planifier des trajectoires extrêmement complexes et précises pour repousser les limites de l’exploration spatiale.

Indirectement, les horloges atomiques optiques pourraient également ouvrir la voie àDes progrès considérables dans l’informatique quantiquePour fonctionner, les ordinateurs quantiques doivent maintenir les qubits dans un état de cohérence. Cela signifie qu’ils doivent pouvoir rester dans un état de superposition quantique stable tout en restant intriqués les uns avec les autres pendant un certain temps.

© Google Quantum

Maintenir cette cohérence est l’un des plus grands défis auxquels sont aujourd’hui confrontés les scientifiques en informatique quantique. Ces ensembles de qbits superposés et intriqués sont des systèmes incroyablement délicats, et la moindre perturbation peut faire s’effondrer cette fragile harmonie. Mais le maillage laser qui maintient les atomes de strontium en place dans une horloge atomique optique pourrait également verrouiller les qbits ensemble, ouvrant la voie à des ordinateurs quantiques plus puissants et plus stables, affirment les chercheurs.

…et un pas vers la théorie du tout

Mais les implications les plus intéressantes sont probablement celles qui concernent la physique fondamentale.

Aujourd’hui, les spécialistes s’appuient sur deux grands paradigmes pour décrire le fonctionnement de notre monde : relativité générale et le la physique quantiqueformalisées dans ce qu’on appelle le Modèle Standard de la physique des particules. Ces deux théories décrivent extrêmement bien les phénomènes que nous observons dans la pratique, respectivement aux plus grandes et aux plus petites échelles. Elles servent donc de base à une grande partie de notre science.

Les deux fonctionnent extrêmement bien de manière autonome. Ces dernières années, plusieurs études ont encore démontré l’immense robustesse de la relativité générale, et la physique quantique continue de progresser à grande vitesse. Le problème est queils restent totalement irréconciliables à l’heure actuelle..

L’exemple le plus éloquent est celui de la gravitationLa relativité générale stipule qu’elle est générée par des déformations de l’espace-temps ; plus c’est intense, plus le temps passe lentement. En revanche, il n’y a absolument rien dans le modèle standard qui puisse expliquer ce phénomène si bien décrit par Einstein.

Nous nous retrouvons alors dans une impasse à la fois terrifiante et passionnante, car elle suggère fortement qu’il nous manque au moins un élément crucial pour arriver au fameux « Théorie du Tout » — un modèle unifié capable de décrire toutes les forces fondamentales à partir d’une seule base théorique. Cette théorie était le but ultime d’Einstein, et toute une partie de la physique théorique tente encore aujourd’hui de construire ce pont entre la physique quantique et la relativité.

Malheureusement, ces phénomènes sont très difficiles à étudier rigoureusement à notre échelle. Par exemple, jusqu’à présent, les physiciens n’avaient pas aucun instrument suffisamment puissant pour quantifier précisément les effets relativistes décrits par Einstein à petite échelleMais cela pourrait changer avec cette nouvelle génération d’horloges atomiques optiques.

Ces horloges atomiques de nouvelle génération pourraient nous aider à trouver les pièces manquantes du grand puzzle de l’Univers. © Casey Horner – Unsplash

Selon les auteurs de ces travaux, ils seraient capables de les détecter à une échelle inférieure au millimètre. Il suffirait en effet de déplacer l’horloge d’une distance équivalente à l’épaisseur d’un cheveu pour détecter les infimes fluctuations du temps provoquées par la gravité. Ces instruments pourraient donc enfin nous aider à identifier des points de rupture dans notre compréhension des forces fondamentales de la nature. Avec des implications potentiellement énormes pour l’ensemble de la science moderne.

« Nous repoussons les limites de la mesure du temps « , résume Jun Ye, physicien au NIST et co-auteur de l’étude associée. Nous explorons les frontières de la science de la mesure, et lorsque nous pouvons quantifier les choses avec ce niveau de précision, nous commençons à voir des choses sur lesquelles nous ne pouvions jusqu’à présent que théoriser. “, se réjouit-il. Il faudra sans doute des années pour y arriver, mais cette percée aux frontières de la physique promet déjà de conduire à des résultats absolument fascinants.

Le texte de l’étude est disponible ici.

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