Un nouveau type d’horloge atomique permet de chronométrer le temps avec encore plus de précision

Ce concept, qui utilise des atomes enchevêtrés, pourrait aider les scientifiques à détecter la matière noire et à étudier l’effet de la gravité sur le temps, rapporte MIT.edu.

Les horloges atomiques sont les chronomètres les plus précis au monde. Ces instruments exquis utilisent des lasers pour mesurer les vibrations des atomes, qui oscillent à une fréquence constante, comme de nombreux pendules microscopiques se balançant en synchronisation. Les meilleures horloges atomiques du monde gardent l’heure avec une telle précision que, si elles avaient fonctionné depuis le début de l’univers, elles ne seraient plus décalées que d’une demi-seconde environ aujourd’hui.

Pourtant, elles pourraient être encore plus précises. Si les horloges atomiques pouvaient mesurer avec plus de précision les vibrations atomiques, elles seraient suffisamment sensibles pour détecter des phénomènes tels que la matière noire et les ondes gravitationnelles. Avec de meilleures horloges atomiques, les scientifiques pourraient également commencer à répondre à des questions épineuses, comme l’effet que la gravité pourrait avoir sur le passage du temps et si le temps lui-même change avec le vieillissement de l’univers.

Aujourd’hui, un nouveau type d’horloge atomique conçu par les physiciens du MIT pourrait permettre aux scientifiques d’explorer de telles questions et peut-être de révéler de nouvelles connaissances en physique.

Les chercheurs rapportent aujourd’hui dans la revue Nature qu’ils ont construit une horloge atomique qui mesure non pas un nuage d’atomes oscillant de façon aléatoire, comme le font les conceptions les plus modernes, mais des atomes qui ont été enchevêtrés de façon quantique. Les atomes sont corrélés d’une manière impossible selon les lois de la physique classique, et cela permet aux scientifiques de mesurer les vibrations des atomes avec plus de précision.

Le nouveau dispositif peut atteindre la même précision quatre fois plus vite que les horloges sans enchevêtrement.

« Les horloges atomiques optiques améliorées par l’intrication auront le potentiel d’atteindre une meilleure précision en une seconde que les horloges optiques actuelles de pointe« , déclare l’auteur principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, un post-doctorant du laboratoire de recherche en électronique du MIT.

Si les horloges atomiques de pointe étaient adaptées pour mesurer les atomes enchevêtrés comme le fait l’équipe du MIT, leur chronométrage serait amélioré de telle sorte que, sur l’ensemble de l’âge de l’univers, les horloges seraient décalées de moins de 100 millisecondes.

Les autres co-auteurs de l’article du MIT sont Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, et Vladan Vuletic, le professeur de physique Lester Wolfe.

Délai

Depuis que l’homme a commencé à suivre le passage du temps, il le fait en utilisant des phénomènes périodiques, comme le mouvement du soleil dans le ciel. Aujourd’hui, les vibrations des atomes sont les événements périodiques les plus stables que les scientifiques puissent observer. De plus, un atome de césium oscille exactement à la même fréquence qu’un autre atome de césium.

Pour garder une heure parfaite, les horloges devraient idéalement suivre les oscillations d’un seul atome. Mais à cette échelle, un atome est si petit qu’il se comporte selon les règles mystérieuses de la mécanique quantique : lorsqu’il est mesuré, il se comporte comme une pièce de monnaie retournée qui ne donne les bonnes probabilités que si l’on en fait la moyenne sur de nombreuses répétitions. Cette limitation est ce que les physiciens appellent la limite quantique standard.

« Lorsque vous augmentez le nombre d’atomes, la moyenne donnée par tous ces atomes va vers quelque chose qui donne la valeur correcte », dit Colombo.

C’est pourquoi les horloges atomiques d’aujourd’hui sont conçues pour mesurer un gaz composé de milliers d’atomes du même type, afin d’obtenir une estimation de leurs oscillations moyennes. Une horloge atomique typique effectue cette opération en utilisant d’abord un système de lasers afin de concentrer un gaz d’atomes ultrarefroidis dans un piège formé par un laser. Un second laser, très stable, dont la fréquence est proche de celle des vibrations des atomes, est envoyé pour sonder l’oscillation atomique et ainsi suivre le temps.

Et pourtant, la limite quantique standard est toujours à l’œuvre, ce qui signifie qu’il existe encore une certaine incertitude, même parmi des milliers d’atomes, quant à leurs fréquences individuelles exactes. C’est là que Vuletic et son groupe ont montré que l’intrication quantique peut aider. En général, l’intrication quantique décrit un état physique non classique, dans lequel les atomes d’un groupe présentent des résultats de mesure corrélés, même si chaque atome individuel se comporte comme le tirage au sort d’une pièce de monnaie.

L’équipe a pensé que si les atomes sont enchevêtrés, leurs oscillations individuelles se resserreraient autour d’une fréquence commune, avec moins de déviation que s’ils n’étaient pas enchevêtrés. Les oscillations moyennes que mesurerait une horloge atomique auraient donc une précision supérieure à la limite quantique standard.

Horloges enchevêtrées

Dans leur nouvelle horloge atomique, Vuletic et ses collègues enchevêtrent environ 350 atomes d’ytterbium, qui oscille à la même très haute fréquence que la lumière visible, ce qui signifie que chaque atome vibre 100 000 fois plus souvent en une seconde que le césium. Si les oscillations de l’ytterbium peuvent être suivies avec précision, les scientifiques peuvent utiliser les atomes pour distinguer des intervalles de temps toujours plus petits.

Le groupe a utilisé des techniques standard pour refroidir les atomes et les piéger dans une cavité optique formée par deux miroirs. Ils ont ensuite envoyé un laser à travers la cavité optique, où il s’est interposé entre les miroirs, interagissant avec les atomes des milliers de fois.

« C’est comme si la lumière servait de lien de communication entre les atomes », explique Shu. « Le premier atome qui voit cette lumière va modifier légèrement la lumière, et cette lumière modifie également le deuxième atome, et le troisième atome, et à travers de nombreux cycles, les atomes se connaissent collectivement et commencent à se comporter de manière similaire ».

De cette façon, les chercheurs enchevêtrent les atomes de façon quantique, puis utilisent un autre laser, similaire aux horloges atomiques existantes, pour mesurer leur fréquence moyenne. Lorsque l’équipe a réalisé une expérience similaire sans emmêler les atomes, elle a constaté que l’horloge atomique avec des atomes emmêlés atteignait la précision souhaitée quatre fois plus vite.

« On peut toujours rendre l’horloge plus précise en mesurant plus longtemps », explique M. Vuletic. « La question est de savoir combien de temps il faut pour atteindre une certaine précision. De nombreux phénomènes doivent être mesurés sur des échelles de temps rapides ».

Selon lui, si les horloges atomiques de pointe d’aujourd’hui pouvaient être adaptées pour mesurer les atomes enchevêtrés, non seulement elles garderaient un meilleur temps, mais elles pourraient aider à déchiffrer des signaux dans l’univers tels que la matière noire et les ondes gravitationnelles, et commencer à répondre à certaines questions séculaires.

« Au fur et à mesure que l’univers vieillit, la vitesse de la lumière change-t-elle ? La charge de l’électron change-t-elle ? dit Vuletic. « C’est ce que vous pouvez sonder avec des horloges atomiques plus précises. »

Cette recherche a été soutenue, en partie, par la DARPA, la Fondation nationale des sciences, et le Bureau de la recherche navale.

Via MIT.edu.

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