HORLOGES OPTIQUES

INRiM
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, Italy

Comparaison d'horloges optiques éloignées pour des tests de relativité générale

L'une des principales particularités du LSM est son environnement très faiblement radioactif, mais c'est aussi son emplacement à 1200 m d'altitude, sous 1700 m de roche, ce qui est une caractéristique unique. Le LSM est ainsi l'endroit idéal pour de nouvelles expériences de physique.

Une expérience est actuellement en cours pour tester la relativité générale avec des horloges optiques, qui sont les chronométreurs les plus précis à ce jour. Selon la théorie de la relativité générale, un champ de gravitation affecte l'espace et le temps. Cela signifie que si une horloge est déplacée de 1 m au-dessus du niveau du sol, le niveau de fréquence relative est modifié de 10^-16. Aujourd'hui, nous avons à notre disposition des horloges extrêmement précises, qui sont sensibles à de petites variations de hauteur. Ces dispositifs sont des horloges atomiques basées sur des transitions optiques, avec une précision de 10^-16, et la plus performante peut atteindre 10^-18. Cette grande précision ne peut être obtenue qu'avec une connaissance approfondie de l'environnement où les atomes sont sondés (température, champ magnétique, bruit sismique ....). Parmi ces paramètres, il y a la hauteur de l'horloge au-dessus du géoïde : il est nécessaire que cette hauteur soit connue avec une précision de 1 cm afin d'obtenir une précision d'horloge de 10^-18.

Horloge optique de Turin

D'un autre côté, si il on peut démontrer que les horloges peuvent en effet être utilisées comme des capteurs pour le champ gravitationnel peut ouvrir de nouvelles perspectives en géodésie, ouvrant la voie à une bien meilleure résolution.
L'expérience réalisée au LSM vise à démontrer qu'une interconnexion plus forte entre la géodésie et la métrologie de temps-fréquence est possible. Une horloge optique basée sur des atomes d'Ytterbium (Yb), placée à l'Institut national italien de métrologie (INRIM) à Turin en Italie, est comparée à une horloge portable basée sur des atomes de Strontium (Sr), développée par l'Institut national de métrologie allemand (PTB) et qui a été installée au LSM. La différence de hauteur entre les deux sites est de 1000 m, ce qui permet une expérience sans précédent sur les effets relativistes sur les horloges de haute précision dans le potentiel terrestre.

Horloges er peignes de fréquence optique, à Modane et à Turin

Il faut souligner que le transport de l'horloge n'est pas une tâche facile du tout, étant donné que ces dispositifs comprennent un appareil sous ultra-vide, plusieurs lasers et toute l'optique de précision; en outre, la caractérisation de l'horloge doit être répétée dans l'environnement d'accueil pour éviter les biais inattendus. Cela n'a jamais été démontré et c'est un défi supplémentaire dans cette expérience.

Comment deux horloges peuvent être comparées, tout en étant à des centaines de kilomètres l'une de l'autre ? Les techniques traditionnelles pour le transfert de signaux de temps et de fréquence sont basées sur des satellites, tels que le GPS. Toutefois, la résolution offerte par ces techniques n'est pas optimale pour atteindre la précision visée pour cette expérience. Ainsi, la lumière est transmise entre les deux laboratoires le long d'une fibre optique commerciale, dans laquelle un canal du réseau de télécommunication est dédié à cette expérience. À son tour, la lumière transmise à travers la fibre est interfacée avec les horloges des deux laboratoires grâce à des dispositifs photoniques appelés "peigne de fréquences optiques". Un peigne de fréquence portable développé par le Laboratoire national de physique (NPL) du Royaume-Uni a été installé au LSM et un autre fonctionne à l'INRIM.

L'horloge PTB a été installée le 3 février au LSM et elle est maintenant caractérisée. La comparaison avec l'horloge INRIM va durer deux semaines. Ensuite, l'horloge portable située à Modane sera déplacée vers l'INRIM et la comparaison sera répétée avec les deux horloges à la même altitude. La différence résultant du potentiel gravitationnel sera comparée à celle obtenue avec les méthodes classiques : une mesure précise de l'altitude des deux laboratoires a déjà été effectuée en 2013 par les géodésiens de l'Université de Hanovre et Politecnico de Torino (voir ci-dessous).

La connexion par fibre optique métrologique qui a été développée pour cette expérience fait du LSM un nœud crucial à l'échelle européenne dans le réseau en cours de réalisation entre les principaux instituts nationaux de métrologie et les instituts de recherche du continent. L'épine dorsale Turin-Modane-Lyon-Paris sera achevée en 2016, apportant au LSM des références précises de temps et de fréquence .

Cette expérience est le fruit de la collaboration entre les plus grands instituts nationaux de métrologie européens (NPL, PTB, OBSPARIS, CMI, INRiM), les institutions académiques avec les compétences géodésiques au plus haut niveau (Université de Hanovre et Politecnico di Torino) et l'équipement, les installations et l'expertise du LSM, et est financée dans le cadre du projet européen “International Timescales with Optical Clocks” (le programme européen de recherche en métrologie de l'UE est financé conjointement par les pays participants au programme EMRP au sein de EURAMET et l'Union européenne.)

Les effets relativistes liés à la géodésie testés avec des horloges optiques

L'unité de temps de référence du système international (SI), la seconde, est actuellement définie en fonction de la fréquence de transition hyperfine de l'état fondamental de l'atome de ¹³³Cs et il est réalisé par des horloges atomiques au césium ( http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter2/2-1/second.html).

Cependant, la dernière génération la plus avancée d'horloges atomiques, dites horloges optiques, a maintenant atteint un niveau de stabilité et de précision qui dépasse significativement les performances des meilleurs étalons primaires au césium. En conséquence, la possibilité d'une future redéfinition de la seconde est envisagée par la communauté internationale de métrologie.

Les effets relativistes liés au potentiel gravitationnel affectent les horloges atomiques. D'autre part, les horloges optiques ont un énorme potentiel pour la géodésie avec des caractéristiques sans précédent : la haute précision, la résolution temporelle et spatiale, et la possibilité de mesurer le géopotentiel directement plutôt qu'indirectement.

Cependant, la recherche géodésique a montré que les effets de marée, la météo et le climat perturbent le géopotentiel à un niveau de fréquence relative de quelques 10^-17. Les calendriers internationaux basés sur les horloges dans ce géopotentiel dynamique ne peuvent ainsi être établis que si ces effets sont quantitativement compris. Les interactions avec la communauté de géodésie sont donc indispensables pour accomplir cet objectif.

Le Programme de recherche en métrologie de l'UE (EMRP, soutenu conjointement par la Commission européenne et les pays participants au sein de l'Association européenne des instituts nationaux de métrologie, EURAMET) a financé le projet International Timescales with Optical Clocks (ITOC, www.optical-time.eu ), qui rassemble les plus grands instituts européens de métrologie du temps et de la fréquence. ITOC va réaliser une expérience de validation de principe pour étudier l'effet relativiste lié à la géodésie avec une précision sans précédent.

L'expérience est possible grâce à une collaboration étroite entre les grands instituts nationaux de métrologie européenne (NPL, PTB, OBSPARIS, CMI, INRiM)* , les institutions académiques avec des compétences géodésiques de plus haut niveau (Université de Hanovre et Politecnico di Torino) et l'équipement, les installations et l'expertise du LSM.

* NPL (National Physical laboratory, UK), PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Allemagne), OBSPARIS (Observatoire de Paris, laboratoire SYRTE), CMI (Cesky Metrologicky Institut, République Tchèque))

Deux horloges optiques, développées par l'INRIM et le PTB, seront placées l'une à l'INRiM à Turin (Fig.1), et la seconde au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) dans le tunnel du Fréjus (Fig. 2). Une technique très précise sera mise en oeuvre par l'INRiM afin de comparer les horloges grâce à une fibre optique entre les deux laboratoires et deux dispositifs photoniques appelé peignes de fréquences optiques, gérés par l'INRiM et le NPL. Le résultat de la comparaison sera lié aux différences géopotentielles terrestres mesurées par les géodésistes de l'Université de Hanovre et du Politecnico de Torino.

	Fig.1 - L'horloge optique à l'INRIM basée sur des atomes d'ytterbium neutres fera partie de l'expérience ITOC INRiM-LSM (Avec l'aimable autorisation de l'INRiM)
	Fig.2 - L'horloge optique transportable de l'Institut allemand PTB basée sur des atomes de strontium neutre sera installée au LSM pour l'expérience ITOC INRiM-LSM (Avec l'aimable autorisation du PTB)

Le LSM offre une installation unique, un laboratoire scientifique à l'intérieur de la montagne à une altitude pertinente, qui pourrait être relié à l'Institut de Métrologie (INRiM) par une fibre optique de 100 km de long afin de comparer avec précision les horloges optiques à distance (Fig.3). Ce banc d'essai INRiM-LSM présente une grande différence de potentiel gravitationnel, avec une différence d'altitude d'environ 1000 m entre les deux sites, ce qui permettra une expérience sans précédent sur les effets relativistes sur une horloge atomique de haute précision dans le géopotentiel terrestre.

Fig. 3 - La connexion par fibre optique entre l'INRiM et le LSM permettra une comparaison précise entre les horloges atomiques à distance.

Schéma de l'expérience ITOC INRiM - LSM : deux horloges optiques hébergées dans le tunnel du Fréjus et à Turin seront comparées en utilisant une fibre optique pour étudier les effets relativistes dus au géopotentiel terrestre à un niveau sans précédent de précision.

Les équipes du LSM et de Politecnico di Torino mesurent l'altitude du LSM avec la précision ultime nécessaire pour l'expérience ITOC INRiM - LSM (Avec l'aimable autorisation du Politecnico de Turin)

Entrée du tunnel après interruption du trafic	à l'intérieur du laboratoire LSM

L'équipe de l'Université de Hanovre mesure l'accélération de la pesanteur au LSM avec la précision ultime nécessaire pour l'expérience ITOC INRiM - LSM. (Avec l'aimable autorisation de l'Université de Hanovre)

Pour plus d'information

Davide Calonico

d.calonico@inrim.it