Les horloges atomiques et les transferts de temps ultrastables

Pour mettre nos horloges à l’heure, nous avons besoin d’un temps de référence, c’est le temps universel coordonné (UTC). Celui-ci est calculé en permanence grâce aux horloges atomiques. Mais il est difficile d’obtenir une stabilité dans le calcul et le transfert du temps. Noël Dimarcq, directeur du Système de référence Temps-Espace, nous livre les dernières avancées technologiques dans ce domaine, au cours d’une communication donnée en février 2012 au Bureau des longitudes.

_ Les horloges atomiques permettent de transporter un signal avec le moins de dégradation possible par satellite.

Parmi ses applications, on compte :
- la redéfinition des unités internationales
- la redéfinition de l’UTC (Temps Universel coordonné)
- l’amélioration de la précession des positionnements, et la navigation de grands systèmes qui ont besoin d’être synchronisés comme le DSN.
- le placement des horloges avec des référentiels différents pour faire des tests de physique fondamentale
-* Comme les tests de la relativité restreinte
-* ou comme les tests de la constante de structure fine

- la possibilité de faire des tests pour mesurer le décalage gravitationnel

Les horloges atomiques ont permis enfin l'apparition d’une nouvelle branche : la géodésie relativiste.

Cependant les chercheurs sont confrontés à des difficultés, car si on mesure habituellement une durée à travers le nombre d’oscillations, cette mesure s'avère parfois gênée par un « bruit » qui provoque une instabilité de l’horloge, rendant les résultats inexacts.

Ce bruit peut venir de plusieurs éléments :
- les bruits instrumentaux, mais qui sont aujourd’hui pratiquement maîtrisés par les laboratoires
- le bruit quantique
- le bruit lié à l’oscillateur

D’où la nécessité de développer des oscillateurs ultrastables, des références de temps.
On en trouve par exemple dans tous les ordinateurs pour cadencer les opérations. (Pour la géolocalisation il faut des stabilités encore plus précises).

Outre la nécessité de développer des oscillateurs ultrastables de plus en plus fins, plusieurs types d’horloges sont expérimentées :

- Les horloges micro-ondes : Aujourd’hui les plus efficaces sont des fontaines à atomes froids. Un projet européen est en cours pour envoyer une horloge micro-onde dans l’espace (même si l’espace n’est pas un référentiel facile en terme d’instrumentation).
Un programme est aussi en cours pour miniaturiser les horloges d’atomes froids pour les inclure dans les systèmes GPS.

Il existe aussi les horloges optiques, où deux techniques coexistent :
- les horloges à réseaux optiques d’atomes neutres
- les horloges à ions

Les horloges optiques devraient elles aussi être vouées à des tests dans l’espace.

Mais reste un autre problème à résoudre : le transfert de temps ultrastables. Il existe deux transferts de temps possibles entre horloges distantes :
- le transfert de fréquence (syntonisation) qui repose sur la stabilité en temps du lien.
- le transfert de temps (synchronisation) qui repose pour sa part sur la stabilité en temps du lien et sur la calibration absolue des délais (l' « exactitude en temps »)

Pour mesurer ces transferts, là encore deux possibilités :
- les signaux pulsés
- et les signaux continus

Pour permettre ce transfert, des liens fibrés pourraient voir le jour en Europe d’ici dix ans entre les différents laboratoires (les liens optiques libres requièrent des stations laser spécifiques qui ne fonctionnent pas par tous les temps).

Noël Dimarcq est directeur du SYRTE (Système de référence Temps-Espace), laboratoire de l’Observatoire de Paris, dont 5 équipes font partie de l’IFRAF, Médaille d'argent du CNRS en 2008.

En savoir plus :

Cette conférence était organisée par Le Bureau des Longitudes. Retrouvez le programme des conférences mensuelles sur leur site internet.
- Pour connaître son histoire et son rôle, écoutez : Le Bureau des longitudes, quatre siècles au service de sciences de l’univers et de l’astronomie