Transmettre une référence de temps et de fréquences de haute précision à travers le réseau d’internet

Grâce au laser et aux nouvelles méthodes de refroidissement des atomes, quelques horloges ultraprécises développées dans des laboratoires de recherche tel que le SYRTE (Observatoire de Paris / CNRS / UPMC / LNE) ont une exactitude qui atteint la seconde sur 300 millions d’années. Pour s’assurer de ces performances, il est crucial de comparer les horloges réalisées dans différents laboratoires. Il serait aussi extrêmement utile de pouvoir faire bénéficier de cette précision les laboratoires pratiquant les mesures de temps ou de fréquence de grande précision. Or, l’exactitude des horloges atomiques actuelles est telle que la méthode de comparaison devient problématique lorsque celles-ci, pas très mobiles, sont situées dans des laboratoires parfois très éloignés. Une collaboration entre des physiciens du Laboratoire de Physique des Lasers (CNRS / Univ. Paris 13) et du SYRTE et avec le groupement d’intérêt public RENATER (Réseau National de Télécommunications pour la Technologie, l’Enseignement et la Recherche), dont le CNRS est membre, vient de montrer qu’il est possible de transmettre le signal d’horloge par laser en utilisant les fibres optiques déjà mises en place pour le transfert d’information haut débit pour l’Internet. Le transfert de temps est d’excellente qualité, alors qu’il a pourtant lieu sur une distance de 300 kilomètres dans des fibres déployées dans des environnements très perturbés, au travers des infrastructures dédiées aux télécommunications et en parallèle des flux d’information haut débit. Ces résultats permettent d’envisager sérieusement la mise en place d’un réseau national basé sur ce principe pour distribuer une fréquence ultra-stable vers de nombreux laboratoires français.

Pour comparer deux horloges distantes, il est nécessaire de pouvoir transmettre l’ « heure » de l’une à l’autre, encore appelée « signal d’horloge ». La transmission par onde radio, qui utilise le système GPS comme relais, parfaite pour la quasi-totalité des situations, n’est plus assez précise pour les applications de métrologie de précision. Une première solution, utilisée depuis plus d’une dizaine d’années est d’utiliser une fibre optique dédiée dans laquelle circule un faisceau laser portant le signal d’horloge. Néanmoins, l’accès à des fibres dédiées est aujourd’hui très difficile notamment à cause des règles de concurrence à respecter entre opérateurs de télécommunication. Cette difficulté majeure vient d’être levée grâce à une collaboration avec le groupement d’intérêt public RENATER. Sur une distance de 300 km dont 228 km de réseau Internet fourni par RENATER sur un tronçon aller-retour entre l’Université Paris Nord (Villetaneuse) et Nogent l’Artaud où se situe un point de présence RENATER, les équipes des deux laboratoires ont montré que le transfert d’information haut débit pour l’Internet et le transfert d’un signal d’horloge pouvaient être assurés simultanément. Les performances obtenues sont à la hauteur : en effet, la qualité de la recopie de la fréquence d’horloge est meilleure que 5x10^-20 en valeur relative, sur une vingtaine d’heures. Ceci correspond à une fidélité dans la recopie de l’ordre de 2 centièmes de seconde sur la durée de l’âge de l’Univers, environ 15 milliard d’années ! C’est environ 20000 fois mieux que les performances obtenues avec le système GPS et une marge d’un facteur 1000 par rapport à l’exactitude des meilleures horloges actuelles.

Ce projet de construire un réseau national basé sur ce principe pour distribuer une fréquence ultra-stable vers de nombreux laboratoires français devrait déboucher sur de nombreuses applications. Elles concernent la mesure de différentes constantes fondamentales, la spectroscopie moléculaire de très haute précision, des tests de variation des constantes de la physique, de l’interférométrie atomique de haute précision.

Une des priorités d’extension de ce réseau sera d’établir une connexion avec le laboratoire national de métrologie allemand de la PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) situé à Braunschweig à environ 1000 km de Paris. L’enjeu sera de comparer pour la première fois les performances respectives des différentes horloges de ces laboratoires comme si elles étaient toutes localisées au même endroit. Un tel projet devrait donner à la métrologie du temps/fréquence européenne une avance très conséquente dans les années à venir. Enfin, les comparaisons par fibres seront un complément important aux comparaisons entre des horloges terrestres et les horloges spatiales qui seront envoyées sur la station internationale à partir de 2013, dans le cadre de la mission ACES/PHARAO des agences spatiales française (CNES) et européenne (ESA).

Schéma de l’infrastructure réseau

Les cercles verts représentent les stations de régénération, les cercles rouges sont les emplacements des laboratoires qui seront connectés, les flèches blanches sont les liens optiques du réseau national envisagé, les flèches jaunes sont les routes optiques internationales qui seront développées en priorité.