Des cavités pour des horloges optiques – CaOC

Les horloges à réseau optique (HRO) ont rapidement progressé depuis leur proposition en 2002. Elles ont maintenant dépassé les performances des meilleures horloges micro-onde qui réalisent la définition de la seconde SI, ainsi que celles des horloges à ion uniques, pour devenir les meilleures références de fréquence. Dans la quête des performances ultimes pour les HRO, un défi majeur est de tirer parti de la résolution statistique - ou stabilité de fréquence - intrinsèquement élevée des HRO. En combinant une résonance avec un facteur de qualité de 10^15 et l'interrogation simultanée de 10^4 atomes, une résolution statistique de 10^-17 serait atteignable après une seule seconde d'intégration, soit un gain de 6 ordres de grandeur sur le temps d'intégration par rapport aux horloges micro-onde. Le projet de recherche que nous proposons a pour but de développer des stratégies pour atteindre ce niveau de résolution sans précédent, et d'explorer de nouvelles voies pour le dépasser.

Une telle résolution statistique permettrait d'accélérer le développement des HRO et de leurs applications. En effet, le temps d'intégration court qu'elle implique permet d'une part de caractériser les effets systématiques qui déplacent la fréquence de résonance atomique avec une incertitude inférieure à 10^-18. D'autre part, les horloges atomiques offrent de nombreuses applications en physique fondamentale et appliquée - en particulier en géodésie - qui seront atteignables avec une telle résolution, notamment par des comparaisons via les réseaux fibrés européens.

Ce projet combine deux dispositifs. Le premier se fonde sur l'exploitation d'une cavité Fabry-Perot ultra-stable (CUS) de nouvelle génération. Le "laser d'horloge" stabilisé sur cette CUS de nouvelle génération permettra de réduire drastiquement l'effet d’échantillonnage du bruit de fréquence de ce laser par les atomes (effet Dick) qui limite pour le moment la stabilité de fréquence des HRO. Transposer sans dégradation une telle stabilité de fréquence de la CUS jusqu'aux atomes au cœur de l'horloge est un défi qui n'a pour l'instant jamais été relevé. Nous proposons de réaliser ce transfert de stabilité de fréquence vers deux HRO utilisant des atomes de strontium en fonctionnement au SYRTE, et ainsi de mesurer une stabilité de fréquence pour l'horloge dans la gamme des 10^-17 après une seconde d'intégration. Ensuite, nous étudierons des séquences combinées et optimisées des deux horloges Sr pour échantillonner de façon optimale le bruit du laser, en les synchronisant ou en simulant une horloge sans temps mort. En conséquence, la stabilité des horloges à réseau optique atteindra une limite fondamentale : le bruit de projection quantique (BPQ).

La second dispositif que nous étudierons dans ce projet est plus exploratoire. Il vise à démontrer sur les horloges des techniques autorisant des résolutions statistiques dépassant le BPQ alors atteint. Pour cela, nous tirerons parti d'un système de détection non destructive utilisant une cavité optique autour des atomes, qui sera installé sur les deux horloges. Cette détection permettra la réalisation d'états non-classiques des atomes dont les corrélations permettront de dépasser le BPQ. La possibilité d'utiliser de tels états, encore jamais démontrée pour une horloge optique, est un atout des HRO dans lesquelles un nombre significatif d'atomes sont confinés dans un réseau optique.

Ce projet de combiner une CUS pour atteindre le BPQ, et une détection en cavité pour dépasser ce BQP, permettra donc d'atteindre des résolution statistiques encore jamais démontrées dans aucun étalon de fréquence. Ce projet démontrera qu'il est possible d'utiliser des méthodes physiques fondamentales dans les HRO, et leur permettra de développer leur potentiel applicatif au delà du domaine de la métrologie.