Etats intriqués pour l'horloge atomique sur microcircuit – ee-TACC

Un grand nombre d’applications courantes, civiles aussi bien que militaires, reposent sur la stabilité extraordinaire des standards de temps et fréquence que seules des horloges atomiques sont en mesure d’assurer. Le système global de positionnement GPS est l’exemple le plus connu, la navigation inertielle et la télécommunication à haut débit en sont d’autres.

Grâce aux horloges atomiques de laboratoire, la seconde est aujourd’hui l’unité la mieux réalisée du Système International et l’on s’en sert dans des expériences de recherche fondamentale spectaculaires. En parallèle avec la recherche sur des horloges toujours plus précises, une recherche très active est en train de se développer autour des dispositifs compacts pour les applications mobiles. Les horloges microscopiques sur puce (chip-scale atomic clocks, CSAC) présentent une taille extrêmement réduite de l’ordre du centimètre cube, mais une performance assez limitée. Les horloges hyperfréquence compactes actuellement en développement, d’autre part, ont démontré une stabilité approchant 10^-13 à une seconde. Cette performance les rapproche du maser à hydrogène traditionnel, mais pour un volume (de l’ordre du litre) et un prix très réduits. Ce type d’horloge est très bien adapté à de nombreuses applications de défense et civiles, sur terre et dans l’espace. Une recherche ciblée dans ce domaine contribuera à réaliser leur potentiel exceptionnel et à établir l’indépendance vis-à-vis des fournisseurs étrangers.

Pour une transition atomique donnée, le moyen le plus efficace pour augmenter la stabilité d’horloge est d’augmenter le temps d’interrogation. Ce fait explique le succès remarquable du refroidissement laser dans le domaine de la métrologie, qui a conduit à la construction des horloges à fontaine atomique et des gravimètres atomiques. Dans ce type d’instrument, la durée de chute libre est de l’ordre de 0.5 s. En développant l’horloge atomique sur puce TACC (Trapped Atom Clock on a Chip), notre consortium LKB-SYRTE a choisi une approche innovante : l’interrogation d’atomes piégés. Dans la première génération de TACC, nous avons pu valider ce nouveau concept en démontrant une durée de vie de cohérence de 58 s – une valeur encore jamais atteinte dans une expérience à atomes neutres. A présent, TACC présente une stabilité très compétitive de 5.8 10^-13 à 1 s et de 6 10^-15 à 30000 s.

Dans l’étude ASTRID que nous proposons, nous ciblons une amélioration supplémentaire très significative de la stabilité de TACC en plusieurs étapes. Pour cela nous mettrons en œuvre deux mécanismes innovant issus de la physique quantique fondamentale : la détection non-destructive (détection QND) et la compression de spin. Pour chacun des mécanismes, il s’agira de la première application dans un instrument de qualité métrologique. Cela doit nous permettre d’atteindre une stabilité à 1 s d’au moins 10^-13, et vraisemblablement dans la gamme des 10^-14. En outre, nous adapterons le cycle d’horloge à l’utilisation des cristaux quartz comme oscillateurs locaux. En effet, ces derniers étant plus compacts et moins chers que les technologies alternatives, ils donneront un avantage supplémentaire à notre horloge. Les résultats escomptés vont mettre TACC dans une position de premier plan parmi les horloges compactes, et même comparable aux meilleures fontaines en ce qui concerne la stabilité.