Une horloge au lutécium précise jusqu’à la 19e décimale : comment ça marche ?

Une horloge atomique ne doit pas seulement battre régulièrement : il faut aussi savoir à quel point son « tic-tac » de référence peut être décalé par son environnement. Au Centre for Quantum Technologies, à Singapour, l’équipe de Murray Barrett a développé une horloge optique au lutécium dont l’incertitude relative de fréquence est proche de 1 × 10⁻¹⁹. Publié dans Nature le 23 septembre 2026, ce résultat est présenté par l’équipe comme la meilleure exactitude rapportée à ce jour pour une horloge atomique optique.306

Un ion pour donner la mesure, des corrections pour la rendre fiable

La référence de l’horloge est un seul ion de lutécium 176, interrogé par un laser sur une transition optique à 848 nanomètres. Cette fréquence sert de repère pour mesurer le temps. Mais l’oscillation rapide de la lumière ne suffit pas à garantir l’exactitude : les champs électromagnétiques et le rayonnement thermique peuvent modifier la fréquence de l’ion.72521

Pour limiter certains de ces effets, l’équipe utilise la moyenne hyperfine. L’idée figurait déjà dans son programme de recherche de 2015 : au lieu de s’appuyer sur un seul état interne de l’ion, on combine des mesures portant sur plusieurs états apparentés afin que certains décalages se compensent. Le groupe a ensuite démontré cette méthode par découplage dynamique dans une horloge à plusieurs ions de lutécium.29152

Il a fallu traiter d’autres perturbations séparément. En 2019, les chercheurs ont mesuré et réduit des différences de fréquence entre les ions d’une horloge à trois ions, notamment celles liées à leur moment quadrupolaire électrique. Des travaux sur le lutécium étudient également les effets du rayonnement thermique et des gradients de champ électrique. La méthode réduit donc certaines sensibilités ; elle ne rend pas l’horloge insensible à tout changement extérieur.1821

Pourquoi les deux chiffres du record sont différents

Le 1 × 10⁻¹⁹ environ correspond à l’incertitude relative rapportée pour la référence de fréquence. L’équipe a aussi confronté deux horloges à ion unique construites indépendamment : l’incertitude de cette comparaison est de 5,7 × 10⁻¹⁹. Ce second chiffre indique avec quelle finesse leur accord a pu être vérifié ; il ne remplace pas l’incertitude attribuée à chaque horloge.6524

Le groupe a employé la spectroscopie de corrélation pour comparer des références au lutécium. En atténuant l’effet du bruit du laser utilisé pour les interroger, elle aide à distinguer une très petite différence entre les horloges. Elle ne suffit toutefois pas à exclure un décalage systématique commun aux deux. La durée de 200 heures évoquée dans le récit de cette comparaison n’est pas établie indépendamment par les extraits de sources fournis.2628

Quant à l’image d’une horloge qui ne gagnerait ou ne perdrait qu’une seconde en plus de 260 milliards d’années, c’est une extrapolation, pas une expérience menée sur cette durée. Si l’erreur relative restait constante à 1 × 10⁻¹⁹, le calcul donnerait environ une seconde en 317 milliards d’années ; à 1,2 × 10⁻¹⁹, environ 264 milliards d’années. L’analogie dépend donc du chiffre d’incertitude retenu.64

Une piste pour la seconde de demain, pas encore une nouvelle norme

Une référence optique aussi exacte pourrait contribuer à une future redéfinition de la seconde. Mais le résultat d’un seul laboratoire ne suffit ni à établir que d’autres peuvent le reproduire, ni à choisir la transition atomique qui servirait de norme. Les éléments fournis ne confirment pas de calendrier officiel pour ce changement.3024

À cette échelle, l’altitude devient elle-même une donnée de la comparaison : près de la surface terrestre, un écart de hauteur d’un millimètre correspond à une différence relative de fréquence d’environ 1,1 × 10⁻¹⁹. Comparer des horloges installées en des lieux différents impose donc de connaître la différence de potentiel gravitationnel entre ces lieux. Une version transportable devrait, elle aussi, démontrer à nouveau son incertitude après déplacement, tout en conservant la maîtrise de l’ion, du laser et des perturbations environnementales.521