Une horloge atomique multi-ensemble améliorée grâce à des outils d’informatique quantique

Grâce à une nouvelle technique de contrôle quantique individuel, plusieurs horloges atomiques peuvent fonctionner à des rythmes différents, comme différentes aiguilles sur une montre. De concert, ils peuvent être utilisés pour effectuer un meilleur chronométrage que n’importe quelle horloge seule. Crédit :Shaw et coll.

Les horloges atomiques sont une classe d’horloges qui exploitent les fréquences de résonance des atomes pour indiquer l’heure avec une grande précision. Bien que ces horloges soient devenues de plus en plus avancées et précises au fil des années, les versions existantes pourraient ne pas utiliser au mieux les ressources dont elles dépendent pour garder l'heure.

Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment exploré la possibilité d’utiliser des techniques d’informatique quantique pour améliorer encore les performances des horloges atomiques. Leur article, publié dans Nature Physics , introduit un nouveau schéma qui permet l'utilisation simultanée de plusieurs horloges atomiques pour garder l'heure avec encore plus de précision.

"Les horloges atomiques ont des décennies, mais leurs performances s'améliorent chaque année", a déclaré Adam Shaw, co-auteur de l'article, à Phys.org.

"Dans le même temps, ces dernières années, la communauté de la physique atomique a connu une forte poussée en faveur du développement de ce que l'on appelle les ordinateurs quantiques, des dispositifs qui contrôlent les états quantiques des atomes individuels pour effectuer des calculs dépassant les capacités d'un ordinateur normal. Les horloges et les ordinateurs sont apparemment très différents, mais ces dernières années, les gens ont réalisé qu'ils pouvaient être très synergiques."

L'objectif principal de la récente étude menée par Shaw et ses collègues était d'utiliser certains des outils qui sous-tendent le fonctionnement des ordinateurs quantiques pour améliorer les horloges atomiques. Pour ce faire, les chercheurs ont réalisé expérimentalement une proposition théorique vieille de 10 ans, qui implique l'utilisation simultanée de plusieurs horloges pour garder l'heure mieux qu'une seule horloge, en veillant à ce que chacune d'elles enregistre le passage du temps à des rythmes différents.

"L'idée est fondamentalement la même que celle d'avoir plusieurs aiguilles sur une montre :une aiguille des heures pour suivre les changements d'heure plus longs et une aiguille des minutes pour suivre plus précisément les changements d'heure plus courts", a expliqué Shaw. "Ce que nous avons fait, c'est essentiellement construire une telle horloge à plusieurs aiguilles à l'échelle atomique. Pour ce faire, nous démontrons une nouvelle façon de contrôler l'état électronique des atomes individuels avec une très haute fidélité en changeant leurs positions dans un faisceau laser."

Les chercheurs ont utilisé la technique proposée pour contrôler des atomes individuels dans des horloges atomiques. Plus précisément, ils ont veillé à ce que chaque atome subisse effectivement un passage du temps plus lent ou plus rapide, en fonction de sa position dynamique par rapport au faisceau laser appliqué.

"Les horloges actuelles les plus précises au monde fonctionnent en mesurant le passage du temps avec un large ensemble d'atomes, mais nous démontrons qu'un contrôle individuel pourrait conduire à de meilleures performances", a déclaré Shaw. "Plus généralement, notre travail montre la puissance de la combinaison des fonctionnalités des ordinateurs quantiques et des capteurs quantiques, une union que de nombreux autres groupes s'efforcent de réaliser et d'améliorer."

Les premiers résultats recueillis par Shaw et ses collègues sont très encourageants et mettent en évidence le potentiel des techniques d’informatique quantique dans la recherche en métrologie. À l'avenir, cette étude pourrait inspirer le développement d'autres horloges optiques quantiques programmables offrant des performances encore meilleures.

Une semaine après que l'équipe a publié son article, un autre groupe de recherche dirigé par Shimon Kolkowitz à Berkeley a publié un article tentant de réaliser une horloge à plusieurs aiguilles similaire dans Physical Review X. . Leur horloge à aiguilles multiples a été créée à l'aide d'une technique différente, mais elle met également en évidence les avantages de s'appuyer sur plus d'une horloge atomique à la fois.

"Dans notre récent article, nous contrôlions plusieurs horloges atomiques individuelles, mais les horloges elles-mêmes étaient relativement simples :juste des atomes uniques", a ajouté Shaw.

"Nous travaillons actuellement à utiliser l'intrication quantique entre les atomes individuels au sein de chaque horloge afin que chaque "aiguille" de notre montre atomique devienne plus précise. Cela devrait améliorer les performances de l'horloge et constituerait un véritable hybride d'un ordinateur quantique et d'une horloge atomique. "

Plus d'informations : Adam L. Shaw et al, Métrologie multi-ensembles par programmation de rotations locales avec mouvements d'atomes, Nature Physics (2024). DOI : 10.1038/s41567-023-02323-w.

Xin Zheng et al, Réduire l'instabilité d'une horloge à réseau optique à l'aide de plusieurs ensembles atomiques, Physical Review X (2024). DOI : 10.1103/PhysRevX.14.011006.

Informations sur le journal : Physique de la nature , Examen physique X