Un nouveau type d’horloge laser développé par le Centre aérospatial allemand DLR) a atteint un niveau de précision record pour les horloges optiques utilisant des cellules à gaz : en 30 millions d’années, l’écart serait d’une seule seconde. Les propriétés quantiques des molécules d’iode déterminent le rythme de cette horloge laser.
Les horloges laser de qualité spatiale devraient contribuer aux systèmes de positionnement avec une précision au centimètre près et fournir une norme de temps globale. Elles offrent de nouvelles possibilités pour un transfert de données plus puissant dans des domaines aussi variés que les communications mondiales, la mobilité en réseau, la conduite autonome, le commerce et la logistique.
Le DLR développe actuellement une horloge laser de qualité spatiale dans le cadre du projet COMPASSO. À partir de 2027, elle sera testée sur la Station spatiale internationale (ISS) avec pour objectif d’utiliser des horloges optiques sur des satellites.
Une précision record atteinte par l’horloge laser
Le DLR a développé cette horloge laser de haute précision dans le cadre du projet COMPASSO, en s’appuyant sur son expertise de pointe en technologies quantiques pour le vol spatial.
«Elle dévie du Temps Universel de moins de 100 picosecondes par jour. Un picoseconde est un millionième de millionième de seconde. Cette déviation correspond à une seconde tous les 30 millions d’années,» indique Claus Braxmaier de l’Institut des technologies quantiques du DLR à Ulm. «Nous comblons l’écart entre la précision des horloges satellites conventionnelles et les grandes horloges atomiques de haute précision qui déterminent actuellement notre temps universel dans les instituts nationaux de métrologie.»
Le rythme de l’horloge laser est déterminé par la physique quantique. Pour y parvenir, la longueur d’onde du laser est ajustée pour correspondre à la fréquence des molécules d’iode dans une cellule à gaz. Le taux d’oscillation dépend uniquement des propriétés quantiques de l’iode, et le haut niveau de précision de l’horloge optique peut être atteint grâce à ce point de référence indépendant de l’appareil.
En route vers l’ISS
L’Institut des technologies quantiques du DLR développe actuellement une version spatiale de l’horloge laser, qui devrait être lancée vers la Station spatiale internationale en 2027. Pour être utilisée dans l’espace, l’horloge doit être particulièrement légère, compacte, robuste et fiable. Pendant son fonctionnement, les horloges satellites doivent pouvoir fonctionner de manière autonome et sans problème pendant au moins 15 ans.
«Nous voulons tester un modèle de vol de notre horloge laser sur la plateforme européenne Bartolomeo de l’ISS. Dans ce laboratoire externe, l’horloge est exposée aux conditions spatiales. Elle doit fonctionner parfaitement dans le vide, en plein soleil et à l’ombre de la Terre, dans l’espace profond sans accès direct,» explique Claus Braxmaier. «Le défi consiste à maintenir la température de la cellule de gaz d’iode à 20 degrés Celsius – qu’elle soit exposée au soleil ou à l’ombre. La température constante est cruciale pour la haute précision de l’horloge.»
Mini horloges laser : de nouvelles applications
La technologie des horloges utilisant des cellules à gaz qui définissent le rythme de l’horloge présente un autre avantage : elle peut être encore plus réduite. Des horloges laser de la taille d’un smartphone avec ce degré de précision ouvrent de nouvelles applications et perspectives économiques.
Par exemple, des véhicules équipés de mini horloges laser dans le trafic routier ou des drones de livraison en ville pourraient être connectés à un système de gestion de navigation commun, fournissant des informations sur les flux de trafic qui pourraient augmenter l’efficacité et la sécurité.
«Combiner des horloges laser embarquées avec des capteurs d’accélération permettrait également de compenser facilement une réception satellite médiocre ou interrompue. La haute stabilité du signal de l’horloge laser fournit la base pour calculer des données de position exactes même dans des conditions de navigation difficiles, par exemple entre des rangées de maisons ou dans des tunnels,» explique Stefan Schlüter du Centre de compétence Galileo du DLR.
Comment fonctionne une horloge laser ?
Tout comme le pendule d’une horloge de grand-père donne le rythme, un « laser stabilisé à l’iode » détermine le rythme de l’horloge COMPASSO. Pour ce faire, un faisceau laser traverse une cellule de gaz d’environ 20 centimètres de long, contenant des molécules d’iode qui servent de référence temporelle naturelle. La longueur d’onde de la lumière laser verte est réglée pour correspondre à la vibration spécifique des noyaux atomiques des molécules d’iode. La fréquence de cette oscillation est déterminée par les propriétés mécaniques quantiques de l’iode. Cela signifie que la référence temporelle est indépendante de l’appareil, d’où la grande précision de l’horloge laser.
Pour générer un signal temporel normalisé, la lumière verte du laser stabilisé à l’iode est superposée aux impulsions laser d’un laser à peigne de fréquence. Son spectre comprend jusqu’à un million de couleurs. Les fréquences lumineuses correspondantes se trouvent exactement à la même distance les unes des autres, comme les dents d’un peigne et comme une règle. Comme pour accorder un instrument de musique avec un diapason, un signal d’horloge normalisé est généré en mesurant l’intensité des deux faisceaux laser superposés. Ce signal se situe dans le domaine des radiofréquences, à 10 mégahertz.
Légende illustration : Les horloges laser devraient rendre la navigation par satellite plus précise et fournir un signal horaire normalisé à l’échelle mondiale.
À l’avenir, les signaux horaires très précis émis par les horloges laser des satellites pourraient contribuer à la mise en place de systèmes de positionnement d’une précision centimétrique et permettre une transmission plus efficace des données à l’échelle mondiale.
