Les physiciens du JILA ont augmenté la puissance du signal de leur "horloge à épiler" atomique et mesuré ses performances en partie pour la première fois, démontrant une stabilité élevée proche du meilleur de la dernière génération d'horloges atomiques.

L'horloge insolite, qui utilise des pincettes laser pour piéger, contrôler et isoler les atomes, offre des possibilités uniques pour améliorer les performances de l'horloge en utilisant les astuces de la physique quantique ainsi que les futures applications dans le traitement de l'information quantique, simulation quantique, et la science de la mesure.

Décrit dans un La nature article publié en ligne le 16 décembre la plate-forme d'horloge est une grille rectangulaire d'environ 150 atomes de strontium confinés individuellement par des pincettes optiques, qui sont créés par un faisceau laser dirigé à travers un microscope et dévié en 320 points. Cette version améliorée de l'horloge a jusqu'à 30 fois plus d'atomes que la conception préliminaire dévoilée l'année dernière, dû principalement à l'utilisation de plusieurs lasers différents, dont un vert pour piéger les atomes et deux rouges pour les faire "cocher".

Une fois que le laser a commencé à faire tourner les atomes dans les expériences décrites dans l'article, une sélection de ces atomes a continué à vibrer à l'unisson à la même fréquence pendant plus de 30 secondes, un record pour ce qu'on appelle la cohérence quantique. Le grand nombre d'atomes et leurs longs temps de cohérence ont abouti à une excellente stabilité d'horloge de 5,2 x 10-17 à 1 seconde de temps moyen. Cela signifie que la durée de chaque "tick" d'horloge correspond aux autres à environ 1,9 quintillionièmes de seconde.

Les chercheurs ont mesuré la stabilité en comparant deux régions différentes dans l'horloge de la pince à épiler, notant que cette performance se rapproche de celle de l'horloge à réseau de strontium 3-D de la JILA, pour laquelle la méthode de comparaison interne a été initialement développée. La stabilité du système 3-D a ensuite été vérifiée avec une comparaison plus conventionnelle entre deux horloges à réseau optique.

JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.

"L'une des percées importantes de ce travail a été que nous avons trouvé une méthode pour préparer de nombreux atomes tout en maintenant la cohérence quantique, " a déclaré Adam Kaufman, physicien du NIST/JILA. " C'était la clé pour permettre une augmentation du nombre d'atomes de 30 fois par rapport à l'année dernière, ce qui a également permis des nombres d'atomes suffisants pour les auto-comparaisons et l'observation du long temps de cohérence. Mais, au-delà des horloges, cette combinaison d'évolutivité, la cohérence, et le contrôle par particule unique met également en place ce système pour le traitement et la simulation de l'information quantique."

Les chercheurs du NIST et du JILA construisent des horloges atomiques depuis de nombreuses années. Les dernières horloges fonctionnent à des fréquences optiques, qui sont beaucoup plus élevés que les normes de temps actuelles basées sur les fréquences micro-ondes. La recherche contribue à préparer la future redéfinition internationale de la seconde, qui est basé sur l'atome de césium depuis 1967. Les horloges optiques ont également des applications au-delà du chronométrage, telles que l'amélioration de la science de l'information quantique.

L'horloge à pince combine certaines des caractéristiques les plus souhaitables des horloges optiques actuellement en fonctionnement. Par exemple, comme une pince à épiler en métal ordinaire, les pincettes laser offrent un contrôle précis de, dans ce cas, atomes individuels. L'horloge de la pince à épiler fournit également les signaux forts et la stabilité fournis par de nombreux atomes - des centaines maintenant et visant plus d'un millier de pincettes à l'avenir.

Pour faire l'horloge, les chercheurs chargent un nuage refroidi d'atomes dans leur état d'énergie le plus bas dans un rectangle, matrice bidimensionnelle de 320 pincettes (16 par 20) formée par un laser vert. La pince à épiler chevauche deux faisceaux laser croisés qui créent une onde stationnaire appelée réseau optique. Le réseau optique réduit les besoins en puissance de la pince à épiler à 1/30e de leur niveau d'origine. Un nouveau nuage d'atomes remplit la pince à épiler toutes les quelques secondes. Un processus de filtrage laisse les sites de pincettes avec un atome ou vides ; à chaque exécution de l'expérience, chaque pince à épiler a environ 50% de chances de contenir un seul atome.

Les chercheurs éteignent ensuite le laser vert et le réseau et passent à un laser pince à épiler rouge, ce qui nécessite plus de puissance mais est propice au comportement de l'horloge. Les atomes retenus par la pince à épiler sont excités par un "laser horloge" rose appliqué perpendiculairement à la lumière de la pince à épiler, avec un champ magnétique. L'horloge laser excite les atomes, qui commencent à osciller entre deux niveaux d'énergie internes. Finalement, la pince verte se rallume et une caméra enregistre l'état des atomes; ils ne sont fluorescents qu'au faible niveau d'énergie, ainsi, le tic-tac est enregistré comme une lumière clignotante et peut être converti en un signal de synchronisation.

Au-delà du chronométrage, Les chercheurs de JILA sont ravis d'utiliser la plate-forme de pincettes pour d'autres applications telles que l'informatique et la simulation quantiques et les capteurs quantiques programmables. Des pincettes optiques peuvent être utilisées pour « enchevêtrer » des atomes, un phénomène quantique qui relie leurs propriétés même à distance. Des états quantiques spéciaux tels que l'intrication peuvent améliorer la sensibilité de mesure des horloges et des capteurs et peuvent également être utilisés dans les opérations de logique quantique et les simulations de processus quantiques.

"Je pense qu'il faut vraiment regarder au-delà des horloges pour cette nouvelle plate-forme, ", a déclaré Jun Ye, membre et co-auteur du NIST/JILA. "Avec la capacité de pouvoir traiter chaque atome individuel, on peut apporter la programmabilité dans la détection quantique et le traitement de l'information, une fonctionnalité qui sera puissante pour optimiser le système pour des tâches spécifiques."