Un orchestre sans chef : chaque musicien n'entend que son voisin et prend un peu de retard ou d'avance. Dans les horloges atomiques ordinaires, le tableau est semblable — les atomes oscillent, mais leur rythme est perturbé par l'agitation thermique, et la précision du tic-tac est limitée.
Mais un groupe de physiciens a réussi à transformer ce défaut en qualité. Ils ont placé un nuage de cent mille atomes de strontium entre deux miroirs — dans un résonateur optique — et l'ont éclairé avec un laser. La lumière, qui rebondit entre les miroirs, fait que les atomes « se sentent » les uns les autres. Si un atome sort du rythme commun, il perd de l'énergie un peu plus vite que ses voisins et se réajuste. Ce mécanisme, appelé dissipation (dissipation d'énergie), détruit habituellement l'ordre, mais ici il agit comme un chef invisible. En conséquence, l'incertitude du rythme collectif se comprime — les physiciens parlent de « compression de l'état de spin ». Dans l'expérience, le bruit quantique a été réduit de plus de 300 fois par rapport à la limite standard. C'est un peu comme si la dispersion des opinions d'une centaine d'experts se réduisait soudain à un verdict unanime.
Le plus délicat ici est de travailler dans un régime où la lumière n'a pas le temps de « se calmer » entre les atomes. On pensait auparavant que pour un tel tour de force, il fallait que les photons vivent très peu de temps dans le résonateur, sinon ils brouillent l'image. Les auteurs ont montré que l'on peut faire varier progressivement la fréquence et la puissance du laser, et le système trouve alors tout seul un régime stable avec un petit nombre de photons, où les effets parasites sont supprimés. À la fin de la procédure, l'intrication quantique peut être soigneusement transférée vers des états de longue durée de vie des atomes, simplement en éteignant le laser. Ainsi, l'orchestre continue de jouer en harmonie même après le départ du chef.
Cette approche ne nécessite pas de conditions exotiques et peut être mise en œuvre dans les laboratoires existants. Elle ouvre la voie à des horloges qui permettront de vérifier si les constantes fondamentales changent avec le temps, de rechercher la matière noire grâce aux anomalies du temps, et d'améliorer la navigation par satellite jusqu'à des précisions centimétriques.
Les horloges atomiques à base de strontium sont si précises que si elles fonctionnaient depuis le Big Bang, elles auraient pris ou perdu moins d'une seconde à ce jour.
Dans le roman « La Forêt sombre » de Liu Cixin, des horloges ultra-précises sont utilisées pour synchroniser des attaques contre des vaisseaux spatiaux dispersés à des années-lumière — la moindre erreur de temps se traduit par un écart de millions de kilomètres.