Le CESQ se raccorde à l’horloge atomique
Pour définir la seconde, la référence internationale est l’horloge atomique basée sur le césium. En France, cette référence se trouve à Paris, au Laboratoire temps espace*. Depuis le 21 avril, le Centre européen de sciences quantiques de l’Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires (Isis – CNRS/Unistra) est raccordé à celle-ci par fibre optique, renforçant ses perspectives de recherche.
L’importance de la seconde
Combien de temps dure une seconde ? Depuis 1967, la seconde est définie par l’oscillation de l’atome de césium, dont la fréquence naturelle est d’environ 9 milliards de cycles par seconde. Les horloges atomiques mesurent cette fréquence avec une précision relative de 10-16. Il faudrait 100 millions d’années pour qu’une telle horloge dévie d’une seconde, là où une horloge à pendule classique peut dévier de quelques secondes chaque jour. Un enjeu crucial pour certains domaines de recherche.
Un réseau pour la diffuser
En France, les horloges atomiques se trouvent au Laboratoire temps espace à Paris où l’infrastructure nationale de recherche Réseau fibré métrologique à vocation européenne (Refimeve), pilotée par le Laboratoire de physique des Lasers (LPL – CNRS / Université Sorbonne Paris-Nord) et le LTE, a pour mission d’apporter les références de fréquence et de temps dans les laboratoires dont les travaux nécessitent les étalons les plus précis disponibles. Refimeve est déjà connecté à des laboratoires situés en Allemagne, Italie, Royaume-Uni et bientôt à ceux d’une vingtaine de pays supplémentaires dans le cadre du projet européen Forest.
Le fonctionnement
Pour transmettre ces références de fréquence et de temps, Refimeve s’appuie sur les fibres optiques du réseau académique national Renater. Un faisceau laser est injecté dans un canal dédié de ces fibres, sans perturber le trafic internet.
Comme si celles-ci étaient physiquement présentes dans leurs locaux
Tout au long du parcours, pouvant atteindre plusieurs milliers de kilomètres, le signal de l’horloge atomique est amplifié et les perturbations dues aux vibrations du sol ou aux variations de températures sont corrigées en continu. Les laboratoires raccordés reçoivent ainsi une référence de fréquence de précision identique à celle des horloges parisiennes, comme si celles-ci étaient physiquement présentes dans leurs locaux.
En 2015, la liaison Paris-Strasbourg, 1 500km aller-retour, a été la première liaison grande distance a être compensée du bruit de transmission, servant de preuve de principe pour ce type de distribution de fréquence longue distance.
L’intérêt pour le CESQ
Le raccordement à Refimeve bénéficie directement à plusieurs axes de recherche du laboratoire. Les capteurs quantiques, qui mesurent des grandeurs physiques avec une finesse extrême, peuvent désormais s’appuyer sur une référence absolue, exacte et traçable. Les ordinateurs quantiques, comme celui de la plateforme de calcul quantique aQCess, gagnent en fiabilité, grâce à des lasers mieux stabilisés dans le temps.
Quant aux communications quantiques, elles s’appuient précisément sur ce type de synchronisation partagée entre laboratoires distants. La connexion aux horloges atomiques ouvre également des perspectives de recherche en physique fondamentale et dans d’autres champs comme les sciences de l’atmosphère ou l’astrophysique. A terme, Refimeve facilitera la comparaison de mesures issues du CESQ avec celles d’autres laboratoires européens.
*LTE – Observatoire de Paris / Université Paris sciences et lettres / Sorbonne université / Université de Lille / Laboratoire national de métrologie et d’essais / CNRS
Evolution de la définition de la seconde
En 1889, depuis la première Conférence générale des poids et mesures qui a eu lieu en France, la seconde est définie sur le jour terrestre moyen: 1/86400.
En 1956, pour tenir compte des imperfections de la rotation de la terre, la seconde est définie sur le temps qu’a mis la Terre à tourner autour du soleil en 1900, soit 1/31 556 925, 9747.
En 1967, la seconde est définie par rapport à une propriété de la matière : la seconde est 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 non perturbé.
Actuellement, des travaux redéfinissent la seconde à partir d’un autre atome candidat et utilisant de nouveaux outils de mesure de fréquences : les horloges optiques. Ces dernières se basent sur des transitions atomiques situées dans la partie optique du spectre électromagnétique, là où les horloges atomiques de césium utilisent une transition micro-onde. Elles pourraient apporter prochainement une définition de la seconde plus de 100 fois plus précise que les horloges atomiques actuelles.
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