Les horloges atomiques sont les chronométreurs les plus précis au monde. Ces instruments exquis utilisent des lasers pour mesurer les vibrations des atomes, qui oscillent à fréquence constante, comme de nombreux pendules microscopiques oscillant en synchronisation. Les meilleures horloges atomiques du monde mesurent l'heure avec une telle précision que, s'ils avaient couru depuis le commencement de l'univers, ils ne seraient décalés que d'environ une demi-seconde aujourd'hui.

Toujours, ils pourraient être encore plus précis. Si les horloges atomiques pouvaient mesurer plus précisément les vibrations atomiques, ils 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 certaines questions hallucinantes, comme l'effet que la gravité pourrait avoir sur le passage du temps et si le temps lui-même change à mesure que l'univers vieillit.

Désormais, un nouveau type d'horloge atomique conçu par des physiciens du MIT pourrait permettre aux scientifiques d'explorer ces questions et éventuellement de révéler une nouvelle physique.

Les chercheurs rapportent dans la revue La nature qu'ils ont construit une horloge atomique qui ne mesure pas un nuage d'atomes oscillant au hasard, comme le mesurent les conceptions de pointe maintenant, mais à la place des atomes qui ont été intriqués quantiquement. Les atomes sont corrélés d'une manière impossible selon les lois de la physique classique, et cela permet aux scientifiques de mesurer plus précisément les vibrations des atomes.

La nouvelle configuration peut atteindre la même précision quatre fois plus rapidement que les horloges sans enchevêtrement.

« Les horloges atomiques optiques améliorées par enchevêtrement auront le potentiel d'atteindre une meilleure précision en une seconde que les horloges optiques de pointe actuelles, " dit l'auteur principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, un post-doctorat au Laboratoire de recherche en électronique du MIT.

Si des horloges atomiques de pointe étaient adaptées pour mesurer les atomes intriqués comme le fait l'installation de l'équipe du MIT, leur timing s'améliorerait de telle sorte que, sur tout 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 Adiyatulline, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Bravermann, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, et Vladan Vuletic, le professeur Lester Wolfe de physique.

Limite de temps

Depuis que les humains ont commencé à suivre le passage du temps, ils l'ont fait en utilisant des phénomènes périodiques, comme le mouvement du soleil dans le ciel. Aujourd'hui, les vibrations dans les atomes sont les événements périodiques les plus stables que les scientifiques puissent observer. Par ailleurs, un atome de césium oscillera exactement à la même fréquence qu'un autre atome de césium.

Pour garder un temps parfait, les horloges suivraient idéalement 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 retournée qui ne donne les bonnes probabilités que lorsqu'elle est moyennée sur plusieurs lancers. Cette limitation est ce que les physiciens appellent la limite quantique standard.

"Quand 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 le fait en utilisant d'abord un système de lasers pour enfermer un gaz d'atomes ultrarefroidis dans un piège formé par un laser. Une seconde, laser très stable, avec une fréquence proche de celle des vibrations des atomes, est envoyé pour sonder l'oscillation atomique et ainsi garder une trace du temps.

Et encore, la Limite Quantique Standard est toujours à l'œuvre, ce qui signifie qu'il y a encore une certaine incertitude, même parmi des milliers d'atomes, concernant 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 un tirage au sort aléatoire.

L'équipe a estimé 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 qu'une horloge atomique mesurerait, donc, aurait une précision au-delà de 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 fréquence très élevée que la lumière visible, ce qui signifie que n'importe quel 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 de plus en plus petits.

Le groupe a utilisé des techniques standard pour refroidir les atomes et les piéger dans une cavité optique formée de deux miroirs. Ils ont ensuite envoyé un laser à travers la cavité optique, où il ping-pong 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 modifiera légèrement la lumière, et que la lumière modifie aussi le deuxième atome, et le troisième atome, et à travers de nombreux cycles, les atomes se connaissent collectivement et commencent à se comporter de la même manière."

De cette façon, les chercheurs enchevêtrent quantiquement les atomes, puis utilisez un autre laser, similaire aux horloges atomiques existantes, mesurer leur fréquence moyenne. Lorsque l'équipe a mené une expérience similaire sans enchevêtrement d'atomes, ils ont découvert que l'horloge atomique avec des atomes intriqués atteignait la précision souhaitée quatre fois plus rapidement.

"Vous pouvez toujours rendre l'horloge plus précise en mesurant plus longtemps, " dit Vuletic. " La question est, combien de temps faut-il pour atteindre une certaine précision. De nombreux phénomènes doivent être mesurés sur des échelles de temps rapides."

Il dit que si les horloges atomiques de pointe d'aujourd'hui peuvent être adaptées pour mesurer des atomes intriqués quantiquement, ils garderaient non seulement un meilleur temps, mais ils pourraient aider à déchiffrer des signaux dans l'univers tels que la matière noire et les ondes gravitationnelles, et commencer à répondre à quelques questions séculaires.

"Alors 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. »