Des horloges atomiques toujours plus précises

Les institutions météorologiques du monde entier administrent notre temps à l’aide d’horloges atomiques basées sur les oscillations naturelles des atomes. Ces horloges, essentielles pour des applications comme la navigation par satellite ou le transfert de données, ont récemment été améliorées en utilisant des fréquences d’oscillation toujours plus élevées dans les horloges atomiques optiques.

Des scientifiques de l’Université d’Innsbruck et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences, dirigés par Christian Roos, montrent comment une façon particulière de créer l’intrication quantique peut être utilisée pour améliorer encore la précision des mesures intégrales au fonctionnement d’une horloge atomique optique.

Erreur de mesure réduite de moitié dans l’expérience

Les observations de systèmes quantiques sont toujours soumises à une certaine incertitude statistique. « Cela est dû à la nature du monde quantique« , explique Johannes Franke de l’équipe de Christian Roos. « L’intrication peut nous aider à réduire ces erreurs. »

Avec le soutien du théoricien Ana Maria Rey de JILA à Boulder, aux États-Unis, les physiciens d’Innsbruck ont testé la précision des mesures sur un ensemble intriqué de particules en laboratoire. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour accorder l’interaction des ions alignés dans une chambre à vide et les ont intriqués.

« L’interaction entre les particules voisines diminue avec la distance entre les particules. Nous avons donc utilisé des interactions d’échange de spin pour permettre au système de se comporter de manière plus collective », précise Raphael Kaubrügger du Département de physique théorique de l’Université d’Innsbruck.

Ainsi, toutes les particules de la chaîne étaient intriquées les unes aux autres et produisaient un état quantique comprimé. En utilisant cela, les physiciens ont pu montrer que les erreurs de mesure peuvent être réduites de moitié en intriquant 51 ions par rapport à des particules individuelles.

Auparavant, la détection améliorée par intrication reposait principalement sur des interactions infinies, limitant son applicabilité à certaines plateformes quantiques seulement.

Des horloges encore plus précises

Avec leurs expériences, les physiciens quantiques d’Innsbruck ont pu démontrer que l’intrication quantique rend les capteurs encore plus sensibles. « Nous avons utilisé une transition optique dans nos expériences qui est également utilisée dans les horloges atomiques« , indique Christian Roos.

Cette technologie pourrait améliorer les domaines où les horloges atomiques sont actuellement utilisées, comme la navigation par satellite ou le transfert de données.

De plus, ces horloges avancées pourraient ouvrir de nouvelles possibilités dans la recherche de matière noire ou la détermination des variations temporelles de constantes fondamentales.

Christian Roos et son équipe veulent maintenant tester la nouvelle méthode dans des ensembles ioniques bidimensionnels. Les résultats actuels ont été publiés dans la revue Nature. Dans le même numéro, des chercheurs ont publié des résultats très similaires en utilisant des atomes neutres.

En synthèse

Cette recherche montre comment l’intrication quantique peut améliorer la précision des horloges atomiques optiques, essentielles dans des domaines comme la navigation par satellite. En intriquant un ensemble d’ions dans une chambre à vide, les scientifiques ont réduit de moitié les erreurs de mesure par rapport à des particules non intriquées. Cette avancée ouvre la voie à des horloges atomiques encore plus précises, avec des applications potentielles en métrologie, dans la recherche fondamentale ou la détection de matière noire.

Pour une meilleure compréhension

Quel est le principe des horloges atomiques optiques ?

Les horloges atomiques optiques utilisent la fréquence d’oscillation d’atomes excités par laser pour générer un signal temporel très précis.

En quoi l’intrication quantique améliore-t-elle leur précision ?

L’intrication de plusieurs atomes permet de réduire les incertitudes statistiques sur la mesure de leur oscillation collective.

Comment les chercheurs ont-ils réalisé cette expérience ?

Ils ont intriqué un ensemble de 51 ions alignés dans une chambre à vide à l’aide d’interactions laser et d’échange de spin.

Qu’ont-ils observé comme résultat ?

Ils ont mesuré une réduction de moitié des erreurs de mesure par rapport à des ions non intriqués.

Quelles sont les applications potentielles ?

Navigation par satellite, transferts de données, métrologie de précision, recherche fondamentale, détection de matière noire.

Légende illustration principale : Les physiciens d’Innsbruck ont enchevêtré toutes les particules de la chaîne les unes avec les autres et ont produit ce que l’on appelle un état quantique comprimé. Crédit : Steven Burrows and the Rey Group/JILA

La recherche à Innsbruck a été soutenue financièrement par le Fonds autrichien pour la science FWF et la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol, entre autres.

Détection améliorée par les quanta sur les transitions optiques via des interactions à portée finie. Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi, et Christian F. Roos. Nature 2023 / DOI : 10.1038/s41586-023-06472-z [arXiv : 2303.10688]