Les chercheurs en métrologie de Paris et de Turin ont utilisé la fibre optique pour relier leurs horloges atomiques en remplacement de la liaison satellite devenant trop imprécise. En trame de fond se joue l’amélioration de la définition de la seconde.

Les horloges de l'Observatoire de Paris et de l’Institut italien de recherche métrologique (en italien, istituto nazionale di ricerca metrologica ou INRiM) sont maintenant reliées par la fibre optique.

Les chercheurs des deux instituts ont réussi à maintenir la liaison sur les 1 023 km qui les séparent de façon « quasi continue » pendant quatre mois, expliquent-ils dans un article publié dans la revue scientifique Physical Review Applied.

Cette liaison permettra de comparer les horloges atomiques des deux instituts.

Redéfinition de la seconde

Depuis quelques années, les chercheurs en métrologie pensent qu'il va être possible de redéfinir la seconde de manière encore plus précise que l'actuelle établie en 1967, lorsque cette unité de temps est passée « officiellement de l'échelle astronomique à l'échelle quantique ».

Depuis, 55 ans, la seconde est donc définie comme « la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 ». La 27e Conférence générale des poids et mesures a annoncé que cette redéfinition devrait arriver d'ici à 2030.

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La résolution publiée à cette occasion signalait que « des étalons de fréquence optiques fondés sur différentes espèces et transitions, dans de nombreux laboratoires nationaux de métrologie, ont dépassé l’exactitude pouvant être atteinte par l’actuelle mise en pratique de la définition de la seconde d’un facteur allant jusqu’à 100 ». Ce qui veut dire que les horloges atomiques optiques sont 100 fois plus précises que les horloges atomiques à césium.

Mais avant de pouvoir remplacer les anciennes horloges atomiques, « des comparaisons inter laboratoires indépendantes des horloges optiques avec d'autres horloges optiques et primaires doivent être démontrées » expliquent les auteurs de l'article scientifique.

Jusqu'à récemment, les chercheurs utilisaient des liaisons satellitaires pour faire ces comparaisons, mais leur instabilité rendait les choses trop compliquées.

La fibre optique remplace petit à petit ces liaisons. En 2016, l'Observatoire de Paris avait créé sa première ligne de fibre optique avec le PTB (l’Institut national de métrologie allemand) à Braunschweig en Allemagne. Et depuis cette année, les horloges de l'Observatoire de Paris sont donc reliées avec celles de Turin.

En France, la liaison s'appuie sur l’infrastructure de recherche REFIMEVE et les réseaux de fibres optiques de RENATER et de AMPLIVIA (réseau de la région Auvergne-Rhône-Alpes) et en Italie sur l'Italian Quantum Backbone et les fibres optiques du Consortium TOPIX.

Pour faire le lien entre les deux lieux, il ne suffit pas de les raccorder au réseau de fibres utilisées pour Internet. Un canal est spécifiquement réservé au faisceau de laser asservi à l’horloge atomique sur un des canaux du multiplex. (les communications Internet utilisent des canaux non réservés).

Les unes se font en parallèle des autres sans perturbation entre elles. La liaison est divisée en six segments et cinq terminaux placés le long du trajet assurent la régénération du signal.

Quatre mois de comparaison sans interruption (ou presque)

En utilisant ce réseau de fibres optiques, les chercheurs italiens et français ont pu comparer pendant quatre mois les horloges atomiques au césium (Cs), rubidium (Rb) et à l'ytterbium (Yb) de l'Observatoire de Paris et de l’Institut italien de recherche métrologique et sans interruption ou presque.

Cette comparaison durant un si long temps et sur une si longue distance (1 023 km) prouve la fiabilité et la robustesse de cette solution comparée au réseau satellitaire. La comparaison des normes de fréquence des micro-ondes Cs et Rb des deux instituts confirme leurs incertitudes au niveau 10⁻¹⁶.

Celle induite par l'utilisation du lien optique est bien en dessous – l’incertitude est inférieure à 6.10^- 19 – permet de valider l'utilisation de la fibre dans le développement d’échelles de temps basées sur l’optique.

C’est bien beau, mais concrètement ça peut servir à quoi ?

Une précision augmentée de la seconde peut avoir de nombreux intérêts pour les scientifiques, avec parfois des conséquences tangibles pour le grand public. Le CNRS cite en exemple le cas des systèmes de positionnement par satellites (GPS, Galileo, etc.) qui utilisent déjà des horloges atomiques :

« Une erreur d’un milliardième de seconde conduit à une erreur de positionnement de 30 cm. Ceci n’est pas gênant pour connaître la position d’une automobile, mais n’est plus négligeable pour l’atterrissage des avions par exemple, ou en géophysique où la précision millimétrique est requise pour l’étude des mouvements des plaques tectoniques ou l’évolution du niveau des océans ».

Le Centre national pour la recherche scientifique rappelle enfin que « la recherche de la précision ultime est une course de longue haleine qui est loin d’être terminée et exige encore beaucoup d’avancées scientifiques et technologiques. Le passé l’a montré, l’avenir le confirmera : les mesures de très haute précision conduisent indéniablement à des révolutions scientifiques et à des ruptures technologiques importantes pour notre société ».