Une nouvelle horloge atomique plus précise pourrait aider à détecter la matière sombre et à étudier l’effet de la gravité sur le temps

Les atomes sont piégés dans une cavité optique composée de deux miroirs. Lorsqu’un laser «pressant» est placé à travers la cavité, les atomes sont intriqués et leur fréquence est mesurée avec un second laser, comme plate-forme pour des horloges atomiques plus précises. Crédit: courtoisie des chercheurs

La nouvelle conception de l’horloge atomique, qui utilise des atomes intriqués, pourrait aider les scientifiques à détecter la matière noire et à étudier l’effet de la gravité sur le temps.

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 une fréquence constante, comme de nombreux pendules microscopiques oscillant en synchronisation. Les meilleures horloges atomiques du monde gardent l’heure avec une telle précision que, si elles avaient fonctionné depuis le début de l’univers, elles ne seraient décalées que d’environ une demi-seconde aujourd’hui.

Pourtant, ils pourraient être encore plus précis. Si les horloges atomiques pouvaient mesurer plus précisément les vibrations atomiques, elles seraient suffisamment sensibles pour détecter des phénomènes tels que la matière noire et ondes gravitationnelles. Avec de meilleures horloges atomiques, les scientifiques pourraient également commencer à répondre à certaines questions époustouflantes, telles que 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.

Maintenant un nouveau type d’horloge atomique conçu par AVEC les physiciens peuvent permettre aux scientifiques d’explorer de telles questions et éventuellement de révéler une nouvelle physique.

Les chercheurs rapportent aujourd’hui dans la revue La nature qu’ils ont construit une horloge atomique qui mesure non pas un nuage d’atomes oscillant de manière aléatoire, comme le mesurent actuellement les conceptions de pointe, mais plutôt des atomes qui ont été intriqués de manière quantique. Les atomes sont corrélés d’une manière qui est impossible selon les lois de la physique classique, et qui permet aux scientifiques de mesurer plus précisément les vibrations des atomes.

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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», déclare l’auteur principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, post-doctorant au Laboratoire de recherche électronique du MIT.

Si les horloges atomiques de pointe étaient adaptées pour mesurer les atomes intriqués comme le fait la configuration de l’équipe du MIT, leur timing s’améliorerait de sorte que, sur tout l’âge de l’univers, les horloges seraient à moins de 100 millisecondes.

Les autres co-auteurs de l’article du MIT sont Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao et Vladan Vuletic, le professeur de physique Lester Wolfe.

Limite de temps

Depuis que les humains ont commencé à suivre le passage du temps, ils l’ont fait en utilisant des phénomènes périodiques, tels que 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. De plus, un césium atome 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 probabilités correctes que lorsqu’il est moyenné sur de nombreux flips. Cette limitation est ce que les physiciens appellent la limite quantique standard.

«Lorsque vous augmentez le nombre d’atomes, la moyenne donnée par tous ces atomes va vers quelque chose qui donne la valeur correcte», dit Colombo.

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C’est pourquoi les horloges atomiques d’aujourd’hui sont conçues pour mesurer un gaz composé de milliers du même type d’atome, afin d’obtenir une estimation de leurs oscillations moyennes. Une horloge atomique typique fait cela en utilisant d’abord un système de lasers pour corraler un gaz d’atomes ultra-refroidis dans un piège formé par un laser. Un second laser très stable, avec une fréquence proche de celle des vibrations des atomes, est envoyé pour sonder l’oscillation atomique et ainsi suivre le temps.

Et pourtant, la limite quantique standard est toujours à l’œuvre, ce qui signifie qu’il existe 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 pouvait aider. En général, l’intrication quantique décrit un état physique non classique, dans lequel les atomes d’un groupe affichent des résultats de mesure corrélés, même si chaque atome se comporte comme le tirage au sort d’une pièce de monnaie.

L’équipe a estimé que si les atomes étaient enchevêtrés, leurs oscillations individuelles se resserreraient autour d’une fréquence commune, avec moins de déviation que si elles n’étaient pas enchevêtrées. Les oscillations moyennes qu’une horloge atomique mesurerait, par conséquent, auraient 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 qu’un 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 toujours plus petits.

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Le groupe a utilisé des techniques standard pour refroidir les atomes et les piéger dans une cavité optique formée par deux miroirs. Ils ont ensuite envoyé un laser à travers la cavité optique, où il a fait un 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 cette lumière modifie également 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 utilisent un autre laser, similaire aux horloges atomiques existantes, pour mesurer leur fréquence moyenne. Lorsque l’équipe a mené une expérience similaire sans emmêler les 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», explique Vuletic. «La question est de savoir combien de temps avez-vous besoin 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 enchevêtrés quantiquement, elles garderaient non seulement un meilleur temps, mais elles pourraient aider à déchiffrer des signaux dans l’univers tels que la matière noire et les ondes gravitationnelles, et commencer à répondez à des questions séculaires.

«À mesure 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.»

Référence: «Enchevêtrement sur une transition optique d’horloge atomique» par Edwin Pedrozo-Peñafiel, Simone Colombo, Chi Shu, Albert F. Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Daisuke Akamatsu, Yanhong Xiao et Vladan Vuletić, 16 décembre 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3006-1

Cette recherche a été soutenue, en partie, par DARPA, la National Science Foundation et l’Office of Naval Research.

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