International atomic clock comparison achieving $5\times 10^{-18}$ uncertainty

Cet article présente une comparaison internationale de deux horloges atomiques optiques destinée à vérifier leur accord avec une incertitude relative inférieure à 5 × 10⁻¹⁸. Il s’agit de déterminer si deux systèmes développés indépendamment, au Royaume-Uni et en Allemagne, produisent des fréquences compatibles à ce niveau de précision lorsqu’ils sont comparés à distance. Ce travail contribue à la préparation d’une éventuelle redéfinition de la seconde du Système international fondée sur une transition optique. La séparation géographique des horloges permet également de rechercher d’éventuelles violations de l’invariance de Lorentz, un principe fondamental de la relativité. Ce résumé repose uniquement sur le titre et le résumé scientifique fournis, le texte intégral n’étant pas disponible en raison de restrictions de licence. Les deux instruments sont des horloges optiques à ion unique d’ytterbium 171, noté ¹⁷¹Yb⁺. Leur fréquence de référence correspond à la transition électrique octupolaire E3 entre les états ²S₁/₂, de nombre quantique hyperfin F = 0, et ²F₇/₂, avec F = 3. L’utilisation d’une même transition atomique permet de comparer directement les fréquences des deux dispositifs, reliés par une liaison optique sur fibre de 2 220 kilomètres. Les auteurs exploitent plus d’un million de secondes de mesures, soit plus de onze jours et demi de données cumulées. Le résumé ne précise toutefois ni la durée calendaire de la campagne ni les modalités détaillées d’acquisition et d’analyse. La différence relative de fréquence mesurée est de 1,0 × 10⁻¹⁸, avec une incertitude de 4,8 × 10⁻¹⁸. Ce résultat est compatible avec zéro et confirme ainsi l’accord des deux systèmes indépendants au niveau d’incertitude annoncé. Selon les auteurs, il s’agit de la première comparaison internationale d’horloges atteignant une incertitude relative inférieure à 5 × 10⁻¹⁸. Cette avancée contribue à établir la cohérence des références optiques exploitées dans différents pays, une condition essentielle à leur utilisation dans une future définition de la seconde. L’incertitude de la comparaison est dominée par celle de la correction du décalage gravitationnel relativiste entre les deux sites. La comparaison des fréquences exige en effet de prendre en compte la différence de potentiel gravitationnel, qui modifie le rythme relatif des horloges. Les auteurs précisent que cette correction intègre également les variations temporelles de cette différence de potentiel. À ce niveau de précision, la fiabilité des comparaisons dépend donc non seulement des horloges et du transfert optique, mais aussi de la connaissance de l’environnement gravitationnel. Enfin, les auteurs recherchent des modulations susceptibles de révéler une violation de l’invariance de Lorentz. Aucune modulation statistiquement significative n’est observée. Ils annoncent une réduction d’environ un facteur cinq de l’incertitude sur le paramètre alpha du cadre de Robertson–Mansouri–Sexl, ainsi que des limites sur les paramètres correspondants de l’extension du Modèle standard. Le résumé ne fournit cependant ni les valeurs numériques de ces limites ni le détail des analyses. Les résultats accessibles mettent ainsi en évidence un accord métrologique remarquable entre les deux horloges et un renforcement des tests de la relativité. L’absence du texte intégral ne permet toutefois pas d’examiner le budget complet d’incertitude ni d’évaluer en détail la robustesse des traitements statistiques.

Deux horloges atomiques à l’unisson pour préparer la seconde de demain

Deux horloges installées dans des pays différents peuvent-elles battre au même rythme avec une incertitude inférieure à cinq milliardièmes de milliardième ? C’est le défi relevé par une comparaison internationale entre le Royaume-Uni et l’Allemagne. Reliées par 2 220 kilomètres de fibre optique, deux horloges atomiques optiques indépendantes ont montré un accord remarquable, ouvrant des perspectives pour la mesure du temps et les tests de la relativité.

Ces résultats sont présentés par A. Tofful, M. Filzinger, T. Schmidt, A. Amy-Klein, E. Benkler, E. Cantin et leurs collègues dans l’article « International atomic clock comparison achieving 5 × 10⁻¹⁸ uncertainty ». Cette présentation s’appuie uniquement sur le titre et le résumé scientifique disponibles : le texte intégral, soumis à des restrictions de licence, n’a pas pu être consulté.

Pourquoi comparer des horloges aussi précises ?

Une horloge atomique utilise une transition entre deux états d’un atome comme référence de fréquence. Les horloges optiques exploitent des transitions à des fréquences bien plus élevées que celles employées pour définir actuellement la seconde. Elles constituent ainsi des candidates à une future redéfinition de cette unité fondamentale du Système international.

Mais disposer d’un instrument performant ne suffit pas. Pour qu’une référence optique puisse servir de fondement commun à la mesure du temps, il faut vérifier que des dispositifs construits indépendamment produisent des fréquences compatibles. Une comparaison internationale confronte donc non seulement deux horloges, mais aussi leur capacité à fournir une référence cohérente malgré leur éloignement.

Selon les auteurs, leur travail constitue la première comparaison internationale d’horloges atteignant une incertitude relative inférieure à 5 × 10⁻¹⁸. Il apporte une validation importante de cette cohérence, sans constituer à lui seul une décision sur la redéfinition de la seconde.

Un ion d’ytterbium de chaque côté de la liaison

La même transition comme référence

Les deux instruments sont des horloges optiques à ion unique d’ytterbium 171, noté ¹⁷¹Yb⁺. Ils utilisent la même transition électrique octupolaire, dite E3, entre les états ²S₁/₂, de nombre quantique hyperfin F = 0, et ²F₇/₂, avec F = 3.

Derrière cette désignation technique se trouve un avantage essentiel : les deux horloges interrogent la même référence atomique. Leurs fréquences peuvent donc être comparées directement afin de rechercher un éventuel désaccord entre les réalisations expérimentales britannique et allemande.

Plus de onze jours de données cumulées

La comparaison repose sur une liaison optique sur fibre de 2 220 kilomètres et sur plus d’un million de secondes de mesures, soit davantage que onze jours et demi de données cumulées. Cette quantité ne doit pas être confondue avec la durée calendaire de la campagne : le résumé ne précise ni son étalement dans le temps ni les modalités détaillées d’acquisition.

Un écart compatible avec zéro

Le résultat central tient en deux nombres : une différence relative de fréquence de 1,0 × 10⁻¹⁸ et une incertitude de 4,8 × 10⁻¹⁸. L’écart mesuré étant inférieur à l’incertitude annoncée, il est compatible avec zéro. Autrement dit, cette expérience ne met pas en évidence de désaccord significatif entre les deux horloges.

Il ne faut pas en déduire que leurs fréquences sont démontrées parfaitement identiques. Toute mesure possède une marge d’incertitude. Ici, l’avancée réside précisément dans l’étroitesse de cette marge : deux systèmes indépendants, comparés à distance, s’accordent au niveau exceptionnel visé par l’étude.

Quand la gravité devient le principal obstacle

À cette précision, comparer des horloges impose de connaître leur environnement gravitationnel. La relativité prévoit en effet que leur rythme dépend du potentiel gravitationnel auquel elles se trouvent. Avant d’interpréter une différence de fréquence, il faut donc corriger l’effet associé à la différence de potentiel entre les sites.

Dans cette expérience, l’incertitude de cette correction domine celle de la comparaison. Les auteurs indiquent également prendre en compte les variations temporelles de la différence de potentiel. La performance globale dépend ainsi autant de la connaissance de la gravité que de la qualité des horloges et du transfert optique.

Un test supplémentaire de la relativité

La séparation géographique des instruments offre aussi une possibilité de rechercher des violations de l’invariance de Lorentz, un principe fondamental de la relativité. Les chercheurs ont recherché des modulations des signaux susceptibles de révéler un tel écart. Aucune modulation statistiquement significative n’a été observée.

Ils annoncent néanmoins une réduction d’environ un facteur cinq de l’incertitude sur le paramètre alpha du cadre de Robertson–Mansouri–Sexl, ainsi que des limites sur des paramètres correspondants de l’extension du Modèle standard. Le résumé ne fournit pas les valeurs numériques de ces limites ni les détails de leur détermination.

Une avancée majeure, à interpréter avec précision

Cette comparaison renforce la confiance dans les références optiques internationales tout en affinant certains tests de la relativité. Elle souligne aussi un défi : pour mieux comparer les meilleures horloges, il faut mieux connaître la gravité qui les entoure. L’absence du texte intégral empêche toutefois d’examiner le budget complet d’incertitude et la robustesse détaillée des analyses statistiques.