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Synchroniser les oscillations d’un quartz avec un système quantique

11 juin 2015

LP2N - UMR 5298 , LCF - UMR 8501

Des physiciens ont réussi à synchroniser les oscillations d’un quartz, un système classique, avec celles d’un ensemble d’atomes, un système quantique. Cette technique pourrait permettre de dépasser les limitations des méthodes actuellement utilisées pour stabiliser les horloges atomiques.

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Qu’il s’agisse d’un diapason de quartz, d’un maser ou d’un laser, le coeur d’une horloge de précision est un oscillateur dont les battements sont entretenus par un apport continu d’énergie. Pour en contrôler la cadence, cet oscillateur est comparé à un phénomène de référence, en l’occurrence, les oscillations d’une transition entre deux niveaux d’un atome pour les horloges les plus précises : les horloges atomiques. Ces oscillations sont fragiles et pour ne pas les perturber, les atomes ne sont observés qu’à deux reprises. Une première fois leurs oscillations sont initialement synchronisées avec celles de l’horloge, puis une seconde fois après une phase d’attente pour desceller une avance ou un retard éventuel de l’horloge. L’absence d’informations dans la phase intermédiaire introduit une ambiguïté, semblable à celle que connait l’amateur de sport, qui, prenant en cours la retransmission d’une course de fond ne peut pas savoir si le coureur qu’il voit quelques mètres devant les autres est en train de gagner la course, ou s’il est en train d’être rattrapé après avoir pris un tour de retard. La méthode habituelle pour éviter cette ambiguïté est de maintenir un temps d’attente suffisamment court pour être sûr que le nombre d’oscillations de l’horloge et des atomes seront identiques, mais cela se fait au détriment de la précision de l’horloge atomique qui est d’autant plus grande que le temps d’attente est long. En mettant en œuvre un protocole de mesure reposant sur des mesures quantiques faibles non destructives, des physiciens du Laboratoire photonique, numérique et nanosciences - LP2N (CNRS/IOGS/Univ. Bordeaux), du Laboratoire Système de références temps-espace - LNE-SYRTE (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC/LNE) et du Laboratoire Charles Fabry - LCF (CNRS/IOGS) ont réussi à interroger régulièrement l’état quantique des atomes durant le temps d’attente. Cette approche leur a permis d’extraire de petites quantités d’information, tout en n’affectant que négligemment l’évolution de l’état quantique. En utilisant les résultats de ces mesures intermédiaires, l’équipe a pu ainsi synchroniser les battements de l’horloge avec les oscillations quantiques de l’ensemble atomique de référence. Ce travail est publié dans la revue Physical Review X.

Les physiciens ont démontré expérimentalement cette méthode avec un nuage composé de 500 000 atomes de rubidium 87 refroidis par laser. Après avoir placé tous les atomes de ce nuage dans un même état fondamental, une première impulsion micro-onde réalise la synchronisation initiale entre la phase de ces atomes et l’oscillateur micro-onde à quartz que l’on cherche à stabiliser. Après une durée de 1 ms, une impulsion micro-onde transforme la phase relative entre les atomes et l’oscillateur en une différence de population entre sous niveaux de l’état fondamental. Cette différence de populations est alors mesurée à l’aide d’un faisceau laser sonde qui traverse le nuage atomique et l’information recueillie permet de corriger un éventuel déphasage de l’oscillateur micro-onde ; cette séquence est réalisée avec une destructivité négligeable de la cohérence atomique. Les cycles de mesure et de correction peuvent ainsi s’enchaîner de manière corrélée tant que la cohérence de l’ensemble atomique est suffisante. La dernière mesure de la séquence est une mesure destructive, comme pour une séquence typique d’horloge où toute l’information restante est collectée ; les mesures intermédiaires sont réalisées pour synchroniser la phase de l’oscillateur classique sur la phase de l’ensemble atomique et ainsi permettre un temps d’interrogation total plus long, menant à une précision plus grande de l’horloge atomique. Dans leur expérience, les physiciens ont réalisé leur asservissement de phase avec 9 mesures intermédiaires, chacune avec un temps d’interrogation de 1 ms, menant à un temps total d’interrogation de 9 ms. Les chercheurs ont comparé la stabilité de cette horloge avec celle d’une horloge atomique modèle, qui adopte une séquence de Ramsey standard avec un intervalle de mesure de 1 ms. Ils ont mesuré une stabilité 5 fois meilleure en utilisant l’asservissement de phase. Ce facteur est supérieur à 3 (la racine du rapport des temps d’interrogation des deux horloges de 1 ms et 9 ms), montrant que les mesures enchaînées sont partiellement corrélées. La valeur optimale d’amélioration pour des mesures parfaitement corrélées est 9 (le rapport des temps d’interrogation des deux horloges), qui n’est pas atteint ici à cause de plusieurs facteurs : la destructivité accumulée lors des mesures, le déphasage des atomes dans le piège dipolaire et l’imprécision de la correction. Les chercheurs proposent d’appliquer cette méthode sur des horloges atomiques de très haute précision, ainsi que pour les senseurs inertiels à ondes de matière, qui présentent le même type de limitation.

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Représentation artistique du verrouillage de phase entre un oscillateur d’horloge et une référence atomique ; l’atome et l’horloge sont représentés par des roues dentées, leur évolution mutuelle est contrainte par la chaîne de transmission.
Crédits : A. Bertholdi - LP2N

En savoir plus

Phase locking a clock oscillator to a coherent atomic ensemble
R. Kohlhaas1,2, A. Bertoldi3, E. Cantin3,4, A. Aspect1, A. Landragin2 et P. Bouyer1,3, Physical Review X (2015)

  • Retrouvez l’article sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv

Contact chercheur

Andrea Bertoldi, ingénieur de recherche de l’Institut d’Optique Graduate School

Informations complémentaires

1 Laboratoire Charles Fabry (LCF)
2 Laboratoire national de métrologie et d’essais - Système de Références Temps-Espace (LNE-SYRTE)
3 Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N)
4 Quantel

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr