Redéfinir la seconde : la stupéfiante horloge japonaise à réseau optique promet une mine d’applications dans le monde réel

L‘horloge japonaise à réseau optique au strontium a été qualifiée d’« ultime garde-temps ». Conçue par Katori Hidetoshi, professeur de physique à l’Université de Tokyo et directeur de l’équipe de recherche en Ingénierie spatio-temporelle du Riken (Institut de recherche physique et chimique), l’horloge offre une précision sans précédent — exprimée en milliards d’années. Cette incroyable précision, capable de détecter de légères différences d’altitude en ayant recours à la théorie de le relativité générale d’Einstein, est extrêmement prometteuse en tant que nouvelle norme de mesure du temps et outil précieux dans des domaines comme l’exploration spatiale, la recherche sismique et le positionnement global.

Une brève histoire du temps

Jadis, pour mesurer le passage du temps, les êtres humains se basaient sur le mouvement apparent des corps célestes. La division de la journée (une révolution complète de la Terre) en intervalles de plus en plus petits a donné naissance au concept de la seconde, considérée comme une infime fraction d’une journée. Mais la mesure précise du temps n’est apparue que bien plus tard.

Au XVI^e siècle, l’astronome italien Galileo Galilei (1564-1612) a découvert que tout pendule d’une longueur donnée oscillerait à une fréquence constante, ouvrant ainsi la voie à l’invention de l’horloge à pendule par le mathématicien et physicien hollandais Christiaan Huygens (1629-1695). (Les montres portables à ressort ont fait leur apparition à peu près à la même époque.) Une nouvelle ère dans le domaine de la mesure précise du temps s’est ouverte avec le développement des horloges à quartz, qui reposent sur la fréquence constante à laquelle les cristaux de quartz oscillent lorsqu’ils sont soumis à une charge électrique. Aujourd’hui, certaines montres à quartz de haute précision affichent une précision de l’ordre d’une seconde en 100 ans.

La grande avancée suivante s’est produite dans la seconde moitié du XX^e siècle avec l’apparition des horloges atomiques. Une horloge atomique mesure le temps à partir de la fréquence du rayonnement électromagnétique absorbé ou émis lorsqu’un atome donné passe d’un état énergétique à un autre. En 1967, l’horloge atomique au césium 133 a été adoptée comme étalon mondial de référence pour la mesure du temps. Grâce à quoi la seconde est désormais définie non pas en relation avec le mouvement de la terre mais comme 9 192 631 770 cycles de la micro-onde qui provoque l’excitation du césium 133. On estime que les appareils au césium les plus perfectionnés offrent une précision relative d’environ 1 × 10⁻¹⁵, ce qui correspond à une dérive d’à peine une seconde en 60 millions d’années.

Maquette illustrant la manière dont une horloge à réseau optique piège des atomes un à un. Août 2022, Institut national des technologies de l’information et des communications (NICT), à Koganei, Tokyo. (© Jiji)

Les débuts de l’horloge à réseau optique

L’horloge à réseau optique est une horloge atomique de nouvelle génération qui utilise la lumière visible pour atteindre un niveau de précision époustouflant. La lumière visible a une fréquence supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des micro-ondes. Cela se traduit par un nombre nettement plus élevé de cycles par seconde, et donc par une unité de mesure du temps bien plus précise. Cette technologie utilise également le strontium, dont la fréquence de résonance est de nombreuses fois supérieure à celle du césium.

Katori a proposé pour la première fois son horloge à réseau optique en 2001. L’un des principaux objectifs consistait à trouver une façon d’utiliser un grand nombre d’atomes tout en évitant les perturbations et les dérives provoquées par l’interaction entre ces atomes. C’était un problème qui donnait du fil à retordre aux chercheurs depuis des années.

Dans l’horloge de Katori, les figures d’interférence des faisceaux laser — réglés sur une fréquence surnommée la « longueur d’onde magique » — créent un réseau optique ressemblant à une boîte à œufs. Environ un million d’atomes de strontium, refroidis à une température proche du zéro absolu, sont confinés individuellement au sein de ce réseau. En régulant la moyenne des oscillations à très haute fréquence de ces atomes lorsqu’ils absorbent l’énergie d’un laser, cette technologie offre une base nettement plus stable et plus précise pour la définition de la seconde.

Après que Katori et son équipe de recherche eurent réalisé avec succès une série de mesures de fréquence d’une précision extrêmement élevée, leur travail a commencé à attirer l’attention de la communauté internationale en tant que technologie susceptible de jouer un rôle clef dans la redéfinition de la seconde. Dès 2006, il a été considéré comme un candidat potentiel pour la prochaine génération de chronomètres de précision. À ce stade, toutefois, l’horloge à réseau optique n’existait qu’en tant qu’équipement imposant installé de manière permanente dans un laboratoire de physique. L’objectif suivant de l’équipe de recherche consistait à concevoir un appareillage susceptible d’être transporté.

L’équipe de Katori se mit à l’ouvrage, en collaboration avec des partenaires du secteur privé tels que l’entreprise Shimadzu et JEOL (Japan Electron Optics Labpratory, Laboratoire japonais d’optique électronique). En novembre 2024, L’équipe a annoncé la mise au point d’une horloge à réseau optique compacte de 250 litres, issue de la miniaturisation de la version originale de 920 litres. C’était un pas gigantesque vers l’application pratique de cette technologie japonaise révolutionnaire.

Le professeur Katori Hidetoshi, de l’Université de Tokyo, inventeur de l’horloge à réseau optique, lors d’une conférence de presse après l’accord conclu avec le Bureau international des poids et mesures (BIPM) sur la redéfinition de la seconde. 12 mai 2026, à Kawasaki. (© Jiji)

Une précision époustouflante, des applications surprenantes

Les résultats des essais publiés à l’époque par Katori et ses collègues ont suscité une excitation considérable au sein de la communauté scientifique mondiale. En avril 2020, l’équipe a utilisé avec succès deux horloges à réseau optique transportables (précurseurs de la version dévoilée en 2024) pour tester la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qui postule que le temps s’écoule plus vite à haute altitude, parce que la gravité y est légèrement plus faible.

L’équipe a disposé les modèles transportables en deux endroits, l’un dans la base de la tour Skytree et l’autre sur la plate-forme d’observation de la structure, située à 450 mètres de hauteur. L’expérience a révélé que le temps s’était écoulé 4,26 nanosecondes plus vite par jour sur la plate-forme d’observation qu’au sol, comme le prévoyait la théorie d’Albert Einstein. Elle a aussi démontré que la précision des horloges transportables — comparable à celle du modèle de laboratoire — était suffisante pour mesurer des différences d’altitude relativement faibles à l’aide de la théorie d’Einstein. En fait, il s’est avéré que la précision de ces mesures était comparable à celle d’expériences spatiales récentes menées à l’aide de satellites.

Avant cela, en février 2015, l’équipe de Katori a testé deux horloges à réseau optique et s’est aperçue qu’elles s’écartaient l’une de l’autre à un rythme de seulement 1 seconde tous les 16 milliards d’années. Ce que cela signifie c’est que, théoriquement, une telle horloge ne présenterait qu’un écart d’une seconde sur une période équivalente à l’âge de l’univers (environ 13,8 milliards d’années). Le modèle le plus récent affiche une incertitude fractionnaire de l’ordre de 10⁻¹⁸, ce qui correspondrait à une erreur d’une seconde sur environ 30 milliards d’années. Il s’agit sans aucun doute du garde-temps par excellence.

En mars 2025, l’entreprise Shimadzu a annoncé qu’elle mettait en vente la première horloge commerciale du monde à réseau optique. L’Aetherclock OC020, qui mesure 108,3 cm de haut, 114 cm de large et 65 cm de profondeur, présente un écart de temps d’environ 1 seconde tous les 10 milliards d’années. Lors de l’annonce, Shimadzu a fixé un prix de vente conseillé de 500 millions de yens (environ 3,3 millions de dollars américains à l’époque), avec pour objectif la vente de 10 horloges au cours des trois années suivantes.

Ayant apporté la preuve du potentiel pratique de la nouvelle technologie, l’entreprise Shimadzu et Riken ont été en mesure de conclure un protocole d’accord avec le Bureau international des poids et mesures (BIPM), qui prévoit d’adopter une nouvelle définition de la seconde en 2030. Dans le protocole d’accord, annoncé le 12 mai, les parties prenantes ont convenu de collaborer dans le domaine de la recherche et des essais de démonstration portant sur les horloges à réseau optique. L’appareil de Katori sera en concurrence pour le titre de norme de nouvelle génération avec d’autres inventions, notamment l’horloge à ion unique mise au point par des chercheurs européens et américains. Mais l’horloge à réseau optique est considérée comme l’une des candidats les mieux placés en raison de sa stabilité supérieure.

Le protocole d’accord a suscité une excitation considérable en tant qu’étape clef conduisant à l’adoption de l’horloge à réseau optique au strontium comme étalon international. Lors d’une conférence de presse consécutive à la cérémonie de signature, Katori a dit : « Je suis content si l’outil que nous avons apporté pour la comparaison du temps a contribué le moindrement à l’accélération de la redéfinition [de la seconde]. »

Schéma de l’expérience d’horloge à réseau optique utilisant la tour Skytree. (Avec l’aimable autorisation du professeur Katori Hidetoshi, Université de Tokyo)

Un riche potentiel en matière de surveillance volcanique et sismique

Katori a obtenu son doctorat en physique appliquée de l’École supérieure d’ingénierie de l’Université de Tokyo en 1994. Il a occupé les fonctions de chercheur invité à l’Institut Max Planck d’optique quantique en Allemagne, de maître de conférences à la Faculté d’ingénierie de l’Université de Tokyo et de chercheur principal au sein du programme de recherche fondamentale stratégique CREST de l’Agence japonaise des sciences et des technologies avant d’accepter le poste de professeur dans son ancienne université en 2010. Il est titulaire du Prix commémoratif Nishima 2013, du Prix de l’Académie du Japon 2015 et du Prix Honda 2022, attribué par la Fondation Honda. On le considère aujourd’hui comme un candidat bien placé pour le Prix Nobel.

Le 17 novembre 2022, lors de la cérémonie d’attribution du Prix Honda qui s’est déroulée à Tokyo, Katori a donné une conférence intitulée « La science guidée par la curiosité, une voie vers l’avenir ». Dans l’introduction de sa conférence, il a dit ceci : « Au fil des ans, j’ai pris de plus en plus à cœur d’utiliser cette technologie [du réseau optique] pour laisser derrière moi quelque chose qui profitera à la société et à l’humanité. »

Au-delà du fait qu’elle mène à une redéfinition de la seconde, On attend de l’horloge révolutionnaire de Katori qu’elle débouche sur toute une série d’avancées technologiques aux applications utiles.

Comme nous l’avons dit plus haut, l’horloge à réseau optique permet de mesurer même les plus infimes différences d’altitude. En vérité, les dernières horloges à réseau optique ultra-précises sont capables de détecter des différences de hauteur de quelques centimètres seulement. Cela en fait un outil très prometteur dans le domaine émergent de la géodésie relativiste.

L’une des applications envisagées au Japon consiste à utiliser les horloges à réseau optique comme capteurs ultra-précis pour surveiller l’activité volcanique et sismique. On sait que les volcans présentent des modifications topographiques avant une éruption, dues aux mouvements du magma et à d’autres pressions. En déployant et en mettant en réseau plusieurs horloges à réseau optique, il devrait être possible de détecter des changements subtils difficiles à repérer à l’aide des méthodes de surveillance conventionnelles. De tels réseaux pourraient être utilisés à la fois pour la surveillance continue de l’activité volcanique et pour une meilleure détection d’autres déformations de la croûte terrestre pertinentes pour la recherche et la prévision sismiques.

Un nouvel outil pour l’observation et la surveillance

Au-delà de la prévention des catastrophes, les horloges à réseau optique sont très prometteuses en tant qu’outils d’observation et d’exploration spatiales. À une échelle plus terrestre, les ingénieurs s’intéressent à leurs implications pour l’évolution du système de positionnement global, la prochaine génération de télécommunications, la conduite autonome des véhicules et d’autres technologies étroitement liées aux fondements technologiques de notre vie quotidienne. Le garde-temps ultime de Katori promet de s’imposer non seulement comme la référence en matière de mesure du temps, mais aussi comme un instrument essentiel pour l’observation et la surveillance de haute précision du monde dans lequel nous vivons.

Lors d’un entretien avec le professeur émérite Murakami Yôichirô de l’Université de Tokyo, sponsorisé par la Fondation Honda, Katori s’est exprimé en ces termes :

« Ma première pensée, au moment de choisir un sujet de recherche, a été que je souhaitais mener des travaux à l’abri de toute concurrence. Mais je voulais également choisir un sujet intéressant, sur lequel l’équipe aurait plaisir à travailler. C’était mon point de départ. Dans le même temps, je me suis rendu compte qu’il serait regrettable que la recherche ne profite pas à la société. Je pensais que notre recherche fondamentale pourrait déboucher sur des résultats apportant de réels avantages d’ici une vingtaine d’années. Et je suis vraiment ravi que, au bout de vingt ans, nos travaux aient progressé au point de pouvoir aujourd’hui rendre son dû à la société. »

Le développement d’horloges plus précises est directement lié à l’évolution de notre infrastructure sociale. L’avenir que nous envisageons pour l’humanité pourrait fort bien dépendre d’une technologie précise de mesure du temps. Telles sont les attentes suscitées par l’horloge à réseau optique au strontium ultra-précise mise au point par Katori Hidetoshi.

(Photo de titre : l’horloge à réseau optique « Aether Clock OC 020 », le premier modèle commercialisé au monde par Shimadzu Corporation. 5 mars 2025, à Kyoto. Jiji)