L’horloge atomique optique portable fait ses débuts commerciaux – Physics World

L’horloge atomique optique portable fait ses débuts commerciaux – Physics World

Horodatage: 12 décembre 2023 10h00

Photo de quatre cellules à vapeur d'iode, qui sont des boîtes en verre de quelques centimètres de long
Configuration simple : les cellules à vapeur d'iode utilisées dans l'horloge atomique optique portable de Vector Atomic. (Avec l'aimable autorisation de : Vector Atomic)

Les atomes sont les chronomètres les plus précis au monde – à tel point que la seconde est définie comme exactement 9 192 631 770 tics d'une horloge atomique à base de césium. Les versions commerciales de ces horloges à précision atomique sont à la base du GPS, de la navigation, du transfert de données et des marchés financiers, et elles fonctionnent à des fréquences micro-ondes, soit des milliards de tic-tac par seconde. Après une journée, leur chronométrage est en retard de moins de dix nanosecondes.

Aussi performante soit-elle, la prochaine génération d’horloges atomiques est encore plus précise. Ces constructions en laboratoire fonctionnent à des fréquences optiques, ce qui signifie qu’elles fonctionnent des dizaines de milliards de fois par seconde. Les meilleurs d'entre eux peuvent rester précis à 10 femtosecondes (10- 15 s) après un jour, ou en une seconde après 50 milliards d'années. Et bientôt, pour la première fois, vous pourrez en acheter un : Vector Atomic, une start-up basée en Californie, aux États-Unis, a mis le première horloge optique portable du marché.

"Aujourd'hui, les seules horloges que vous pouvez acheter sont des horloges à micro-ondes", déclare Jonathan Hoffmann, responsable de programme à la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis, qui a financé les travaux. « Si vous passez à la transition optique, il y a un gain énorme en termes de précision, d'exactitude et de performances, mais cela s'accompagne généralement en même temps d'une incroyable complexité. Trouver un compromis heureux est la vraie bataille.

Trouver les bons atomes

La principale différence entre les horloges optiques et leurs prédécesseurs à micro-ondes réside dans les lasers. Pour construire les horloges les plus précises possibles, les scientifiques utilisent les atomes qui offrent les transitions atomiques les plus étroites – généralement le strontium ou l'ytterbium – et conçoivent leurs systèmes laser en fonction des exigences particulières de ces atomes. Les atomes sont conservés dans des chambres à vide et différents lasers sont utilisés pour les refroidir et les piéger, tandis que d'autres lasers bloquent les transitions indésirables ou interrogent celle souhaitée utilisée dans l'horloge. Tous ces lasers, jusqu'à une douzaine au total, doivent être stabilisés à des fréquences précises, et leur entretien nécessite une surveillance constante.

Pour construire une version moins précise, mais plus robuste et portable, d'une horloge optique, PDG et co-fondateur de Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer a dû adopter une approche différente. « Au lieu de concevoir le système autour de l’atome, nous avons conçu le système autour des lasers », explique-t-il.

Photo d'un peigne de fréquence dans une boîte rectangulaire
Un peigne de fréquence compact sur mesure utilisé pour lire la fréquence d'horloge optique. (Avec l'aimable autorisation de : Vector Atomics)

Les lasers les plus résistants et les plus éprouvés qui existent, explique Abo-Shaeer, sont ceux utilisés dans les télécommunications et l'usinage industriel. Grâce à des années (voire des décennies) de R&D commerciale, ils sont extrêmement compacts et stables, et lui et son équipe ont choisi une espèce atomique qui leur convient : l'iode moléculaire. Cette molécule présente des transitions pratiques à proximité d’un laser infrarouge à fréquence doublée couramment utilisé en usinage. L’équipe a également opté pour une configuration simple de cellule à vapeur qui évite de refroidir les atomes à des températures glaciales ou de les confiner dans un vide ultra poussé.

Le résultat a été une horloge optique clé en main, que l'équipe a baptisée Evergreen, avec un volume de seulement 30 litres, soit à peu près la taille d'un tourne-disque. Bien que la précision de la synchronisation d'Evergreen soit loin d'être à la pointe de la technologie en laboratoire, elle est 100 fois plus précise que les horloges micro-ondes existantes de taille comparable. Elle égale également les performances des horloges basées sur des masers à hydrogène – des appareils de la taille d’un réfrigérateur de plain-pied extrêmement sensibles au bruit ambiant.

Essais en mer

À l’été 2022, un prototype d’Evergreen a passé trois semaines à bord d’un navire en mer pour des tests. Pendant ce temps, l'horloge fonctionnait sans aucune intervention. À son retour, l'équipe a testé les performances de l'horloge et a constaté qu'elle ne s'était pas dégradée de manière significative, malgré les turbulences et les variations de température à bord du navire. «Quand cela s'est produit, j'ai pensé que tout le monde devrait se lever et crier sur les toits», dit Hoffman. « Je veux dire, les gens travaillent sur ces horloges optiques depuis des décennies. Et c’était la première fois qu’une horloge optique fonctionnait seule, sans interférence humaine, dans le monde réel.

Photo de l'horloge optique de Vector Atomic, une boîte grise oblongue avec un écran d'affichage et une poignée de connecteurs
Tic tac : L'horloge optique Evergreen de Vector Atomic dans sa boîte. (Avec l'aimable autorisation de : Vector Atomics)

Selon Abo-Shaeer, la taille et la stabilité d'Evergreen ouvrent la voie à une adoption généralisée de telles horloges dans la navigation, en particulier lorsque les signaux GPS sont bloqués ou usurpés ; dans les centres de données et les protocoles de télécommunications ; et pour synchroniser les signaux des détecteurs distants à des fins scientifiques. Actuellement, le GPS est précis à environ trois mètres, mais un timing plus précis sur les satellites pourrait ramener ce chiffre à quelques centimètres ou moins, permettant ainsi aux véhicules autonomes de rester dans leur voie ou aux drones de livraison d'atterrir sur un balcon. Être capable de diviser le temps en morceaux plus petits devrait également permettre des communications à bande passante plus élevée, ajoute Abo-Shaeer.

Reste à savoir si cette horloge particulière sera celle qui alimentera la prochaine génération de GPS et un transfert de données plus rapide. Mais l'avancée technologique est néanmoins significative, dit Elizabeth Donley, directeur de la division temps et fréquence du National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis à Boulder, Colorado. « De nombreux autres types d'horloges optiques pourraient apparaître sur le marché au cours de la prochaine décennie », explique Donley, qui n'a pas participé aux travaux de Vector Atomic. "Le cœur de ce projet est une cellule à vapeur d'iode, mais l'infrastructure peut également être utilisée pour d'autres types d'horloges."

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