- Des chercheurs du NIST ont fortement amélioré la précision d’une horloge à ion d’aluminium, établissant un nouveau record mondial de précision
- Elle atteint une précision supérieure de 41 % au précédent record et une stabilité 2,6 fois meilleure que les autres horloges ioniques
- Les principales améliorations proviennent de technologies innovantes comme la spectroscopie par logique quantique avec une paire d’ions aluminium-magnésium, ainsi que de l’optimisation du système de vide et de la mise à niveau des lasers
- Après des décennies de recherche, elle peut mesurer une seconde à l’échelle de 10^-19, ce qui pourrait contribuer à la prochaine définition de l’unité de temps et aux progrès de la physique quantique
- La réduction du temps de mesure devrait aussi favoriser des applications plus larges en sciences de la Terre et dans la recherche d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard
Amélioration des performances de l’horloge ionique du NIST et nouveau record
- Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis ont amélioré les performances d’une horloge atomique à ions d’aluminium, atteignant la plus haute précision jamais obtenue au monde
- Cette horloge atteint une précision de mesure du temps jusqu’à 19 décimales
- Résultat de mises à niveau continues sur les 20 dernières années, elle affiche une précision supérieure de 41 % au précédent record mondial, ainsi qu’une stabilité 2,6 fois meilleure
- Cette avancée est le fruit d’améliorations minutieuses de tous les composants, notamment les lasers, le piège à ions et la chambre à vide
- Les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters
Principe et innovations de l’horloge à ion d’aluminium
- L’ion d’aluminium présente des « ticks » extrêmement réguliers et à haute fréquence, ce qui le rend particulièrement adapté à la mesure du temps
- Il fournit une fréquence plus stable que le césium, historiquement utilisé pour définir la seconde
- Il est également moins sensible aux variations de l’environnement, comme la température ambiante ou les champs magnétiques
- Toutefois, l’aluminium est difficile à détecter et à refroidir au laser ; pour compenser cela, les chercheurs utilisent un « système compagnon » avec un ion magnésium
- Le magnésium se contrôle et se refroidit facilement au laser, et la spectroscopie par logique quantique permet d’observer indirectement l’état de l’ion aluminium
Principaux facteurs d’amélioration des performances du système
- Des micromouvements indésirables (Excess micromotion) dans le piège où les ions sont stockés réduisaient la précision
- Amélioration de la structure du piège : utilisation d’une plaquette de diamant plus épaisse et optimisation du placage or pour corriger le déséquilibre des électrodes, afin de minimiser le mouvement des ions
- La chambre à vide a elle aussi été reconçue en titane au lieu de l’acier, réduisant de plus de 150 fois la concentration interne d’hydrogène et diminuant fortement les collisions avec les ions ainsi que les interruptions expérimentales
- Grâce à ces améliorations, le cycle de rechargement est passé de 30 minutes à plusieurs jours
Stabilité des lasers et réduction du temps de mesure
- L’obtention d’une grande stabilité des lasers est un élément clé de l’amélioration de la précision
- Un laser d’une stabilité parmi les meilleures au monde, mis au point au laboratoire JILA du NIST (groupe de Jun Ye), est transmis par fibre optique au laboratoire des horloges du NIST situé à 3,6 km
- À l’aide d’un peigne de fréquences optiques (frequency comb), les caractéristiques des deux lasers sont comparées, ce qui permet finalement au laser de l’horloge de bénéficier de la stabilité du laser du laboratoire Ye
- Grâce à cela, le temps de mesure des ions (mesure des ticks) est passé de 150 ms à 1 seconde, ce qui a permis de réduire drastiquement le temps nécessaire pour mesurer jusqu’à la 19e décimale, de 3 semaines à un jour et demi
Contributions futures et usages de l’horloge ionique du NIST
- Ce nouveau record de précision ouvre la voie à une redéfinition future de la seconde comme standard mondial, ainsi qu’à des applications élargies en sciences de la Terre, en physique de précision et dans d’autres domaines
- La mise à niveau de l’horloge améliore aussi fortement ses capacités en tant qu’environnement expérimental basé sur la logique quantique (testbed)
- Cette horloge pourrait devenir un outil clé pour la géodésie, l’étude d’éventuelles variations des constantes naturelles et la recherche de phénomènes physiques au-delà du modèle standard
- Comme les mesures prennent moins de temps, de nouvelles possibilités s’ouvrent pour les expériences et observations scientifiques
- À l’avenir, il sera possible d’augmenter radicalement les capacités de mesure en utilisant davantage d’ions ou en appliquant l’intrication (entanglement) entre ions
Référence de l’article
- Mason C. Marshall et al., "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, publication en ligne le 14 juillet 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28
1 commentaires
Avis Hacker News
Si l’on place deux de ces horloges côte à côte, il est possible de mesurer la différence de gravité/dilatation du temps même si leur altitude (position verticale) ne diffère que de quelques centimètres. C’est impressionnant de vivre à une époque où, même sans atteindre directement ce niveau, on peut acheter des horloges atomiques à jet de césium pour quelques milliers de dollars, voire en fabriquer une soi-même à la main.
On peut comparer les horloges au césium à une résolution de déplacement vertical d’environ 1 mile (1,6 km). Ce qui est amusant avec une horloge au césium, c’est qu’on peut en charger trois environ dans un monospace pour partir camper.
http://leapsecond.com/great2005/
Je disais que ce niveau de précision est stupéfiant, mais du coup je me demande à quel point il serait difficile et coûteux, pour un « laboratoire raisonnablement bien équipé », de construire sa propre horloge optique. Il existe dans le commerce des horloges optiques de quelques baies de rack, vendues à des prix très élevés, et je me demande si cela vient encore du coût des matériaux eux-mêmes, ou uniquement de l’expertise nécessaire.
Cette manière de comparer des horloges ultra-précises est vraiment formidable. J’espère qu’on verra un jour des altimètres einsteiniens partout.
Je me demande sur quelle durée il est réellement possible de mesurer une « variation de quelques centimètres de position verticale ». Je ne suis pas certain qu’on puisse le mesurer instantanément.
Je me demande jusqu’où la précision pourra encore progresser de façon réaliste. Cela fait imaginer un avenir où l’on pourrait vraiment observer, grâce à la gravité, non pas seulement des phénomènes à l’échelle cosmique, mais aussi dans la vie courante, par exemple des ondes gravitationnelles ou des motifs d’interférence produits quand quelqu’un passe à côté de vous.
SKO BUFFS. J’ai travaillé brièvement à la NOAA, et j’adorais pouvoir me promener et travailler au NIST, sur le même campus. C’était un bâtiment vraiment magnifique. Mais il semble que l’ensemble du campus risque d’être fermé.
Récapitulatif de récentes discussions sur les horloges atomiques.
Une nouvelle horloge à fontaine atomique rejoint le groupe qui « maintient le monde à l’heure » (NIST)
Une avancée majeure des horloges nucléaires ouvre l’ère ultime de la mesure ultra-précise du temps (NIST)
J’avais aussi laissé un résumé du deuxième dans les commentaires du premier billet, mais le second porte sur le développement d’un nouveau type d’horloge atomique « nucléaire », fondé non sur les électrons mais sur le noyau atomique. Aucune précision n’y était mentionnée, donc je me demande comment cette horloge « ionique » se compare à elle en termes de précision.
Dans les horloges Al+, la plus grande incertitude provient de la dilatation relativiste du temps causée par les faibles mouvements de l’ion dans le piège à ions. Une horloge au 229Th (thorium) subirait probablement le même effet, mais j’imagine qu’une masse atomique plus élevée pourrait aider à le réduire.
En tant que non-spécialiste, je me demande si mesurer la précision d’une horloge ne nécessite pas une horloge encore plus précise. Je me demande comment on mesure la précision de l’horloge la plus précise du monde.
Je me demande comment on mesure la précision d’une horloge. Si toutes les horloges ont de petites erreurs, ne sont-elles pas toutes fausses ?
La précision d’une horloge dépend de sa définition, puis on mesure sa fidélité. En construisant deux horloges et en mesurant de combien elles divergent, on peut connaître leur précision.
Si les deux horloges sont placées à des positions différentes, on peut aussi réaliser des expériences intéressantes sur la dilatation du temps mesurable. Par exemple :
C’est la question amusante qui revient toujours quand on parle d’horloges de précision.
On fabrique deux exemplaires ou plus d’une même horloge et on les fait fonctionner simultanément à partir du même instant. Si c’étaient des horloges parfaites, il n’y aurait jamais d’écart avec le temps, mais dans la réalité elles finissent progressivement par diverger (avec à la fois des biais systématiques et des écarts aléatoires).
En observant cette différence, on voit que l’erreur de l’horloge se diffuse un peu comme une « marche aléatoire ». Si l’expérience porte sur plusieurs horloges, la variance des erreurs montre laquelle est la meilleure.
Même sans étalon absolument parfait, on peut mesurer la composante aléatoire en comparant deux horloges.
Depuis 1967, il existe une définition physique de la seconde.
https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition
En pratique, on ne mesure pas tant la « précision » de l’horloge que l’ampleur du bruit. La source de l’horloge elle-même ne change pas physiquement, mais du bruit s’y ajoute.
Par exemple, des champs magnétiques extrêmement faibles ou des variations de température peuvent modifier la vitesse d’une horloge, il faut donc les isoler ou les contrôler autant que possible. Les effets résiduels sont corrigés par calcul, et cette valeur correspond à la précision.
Si l’on veut la mesurer directement, on peut aussi synchroniser deux horloges identiques puis les comparer après un certain temps écoulé (en tenant compte aussi des effets de la relativité).
Le temps est défini à partir de phénomènes physiques invariants.
Par exemple, tous les électrons étant parfaitement identiques, on peut utiliser cette propriété pour créer une référence temporelle précise.
Je ne sais pas très bien s’il s’agit d’une « horloge » au sens propre, ou plutôt simplement d’un « signal d’horloge » comme dans un codeur de position. Autrement dit, je me demande si cela ne joue un rôle de « valeur absolue » que dans une certaine plage.
Les horloges atomiques optiques basées sur un ion unique piégé, ou sur des réseaux d’atomes neutres, ne génèrent pas en elles-mêmes un signal d’horloge continu.
Elles nécessitent à la place un laser (et un peigne de fréquences, frequency comb). Celui-ci convertit un signal optique de plusieurs centaines de THz en un signal électronique de l’ordre du MHz à quelques GHz.
Pour obtenir un signal d’horloge réellement continu servant de représentation du temps, il faut plusieurs horloges optiques (actuellement, on perd régulièrement les ions et les atomes neutres, ce qui impose des réinitialisations fréquentes).
Le signal continu est fourni par le laser. Ce laser fonctionne dans l’infrarouge à base de verre dopé à l’erbium ou à l’ytterbium, et est accordé sur la fréquence de résonance de l’ion.
Sur de courtes durées, il est difficile de filtrer le bruit, donc la stabilité en fréquence dépend de la qualité du résonateur en silicium (refroidi à très basse température, avec transmission infrarouge et autres exigences de qualité).
Comme pour le signal d’horloge d’un ordinateur, à long terme on est au niveau d’une synchronisation externe comme NTP, et à court terme au niveau d’un oscillateur à quartz interne.
Cette horloge optique ionique présente l’incertitude la plus faible jamais obtenue pour une fréquence de référence. Mais comme elle utilise un seul ion piégé, son bruit à court terme est plus élevé que celui des réseaux d’atomes neutres (qui exploitent des milliers d’atomes).
Il faut donc moyenner le signal de sortie pendant très longtemps (au moins plusieurs jours) pour atteindre la précision annoncée.
À court terme (1 seconde), sa précision est environ mille fois meilleure que celle des meilleures horloges micro-ondes actuelles au césium ou à l’hydrogène, et avec un moyennage suffisant elle atteint les performances des horloges micro-ondes existantes.
Je me demande s’il existe vraiment une référence absolue du temps, en dehors d’un point d’origine cosmique comme le Big Bang.
Les signaux d’horloge peuvent être accumulés et tous comptés, et leur exactitude à long terme est très élevée. En principe, comme avec un codeur rotatif, on pourrait accumuler des billions d’impulsions (même si, en général, les codeurs ne sont presque jamais utilisés ainsi).
J’aime beaucoup la description de la « meilleure horloge » faite de diamant et d’or. On se croirait dans Minecraft.
L’article contient beaucoup d’images intéressantes, notamment des photos de l’appareil. L’aluminium semble clairement supérieur au césium, mais plus difficile à manipuler en pratique, et il semble que les obstacles qui l’empêchaient jusqu’ici de devenir la norme aient cette fois été levés.
Prépublication
https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")
Si vous voulez un accès authentifié au serveur NTP du NIST, vous devez absolument envoyer une lettre par courrier postal américain ou par FAX (l’e-mail n’est pas autorisé).
Le NIST renvoie lui aussi les informations de clé uniquement par courrier postal (usage de l’e-mail strictement interdit).
Le service qui reçoit habituellement le courrier et les FAX a actuellement un accès restreint, ce qui peut entraîner des délais importants dans le traitement des demandes.
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
(je l’ai découvert en implémentant FedRAMP)
Je me demande si le NIST envisagera d’adopter NTS (Network Time Security)
https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main
Je me demande si l’usage du FAX est aussi autorisé pour les personnes vivant à l’étranger. Pour les utilisateurs hors des États-Unis, cette procédure paraît un peu fastidieuse.