Vers des horloges atomiques plus précises avec l’intrication quantique

Les horloges atomiques comptent parmi les instruments de mesure les plus précis au monde, mais elles peuvent encore être améliorées.

Jusqu'à présent, toutes les horloges de grade métrologique utilisent des atomes non corrélés, caractérisées ainsi par un bruit statistique appelé "bruit de projection quantique", qui limite fondamentalement leurs performances. Il est connu que cette limite peut être surmontée en utilisant une forme d'intrication quantique appelée "spin squeezing". 

Cependant, la durée de vie des états avec compression du bruit de spin produites en laboratoire est typiquement de plusieurs ordres de grandeur plus courte que celle requise pour les instruments de grade métrologique.

Aujourd'hui, une collaboration entre le SYRTE et le Laboratoire Kastler Brossel a permis de produire des états comprimés d'une durée de vie de près d'une seconde, ce qui est suffisant pour une horloge ou un capteur de qualité métrologique.

Le fait de pouvoir conserver l'état quantique fragile pendant une période aussi longue permet également de mieux comprendre les propriétés de "sa vraie vie", avec des résultats surprenants : le signal d'horloge produit par l'état intriqué s'amplifie avec le temps, atteignant plus de 4 fois sa valeur attendue, comme démontré par les chercheurs. L'effet s'explique par des interactions 
extrêmement faibles entre les atomes - si faibles qu'elles restaient invisibles dans les expériences antérieures de courte durée. Ces interactions conspirent avec la corrélation quantique crée pour amplifier le couplage avec la microcavité optique utilisée pour la détection des atomes. 

L'horloge à micro-ondes utilisée dans cette expérience fonctionne dans le régime de la nouvelle génération d'horloges compactes pour les satellites du système global de navigation, déclenchant des espoirs croissants sur l'amélioration quantique des horloges compactes dans un avenir proche.