Briser les limites thermodynamiques : le futur de la mesure du temps

Une nouvelle étude révèle que la précision des effets quantiques¹ est meilleure que prévu. Cette étude intervient alors que des chercheurs de l’TU Wien et leurs collaborateurs utilisent la métrologie quantique pour l’horloge atomique.

Une horloge atomique utilise les propriétés quantiques des atomes pour mesurer le temps beaucoup plus précisément que les horloges conventionnelles. Ces chronomètres les plus précis du monde sont connus pour leur précision sans précédent en utilisant des lasers pour mesurer les vibrations des atomes, qui oscillent à une fréquence constante.

Mais lorsqu’il s’agit des lois fondamentales de la physique quantique, il y a toujours une certaine incertitude, donc un certain bruit statistique est à prévoir et doit être accepté. Ce bruit ou cette aléatoire impose une limite à la précision atteinte. 

Ainsi, les horloges atomiques pourraient être encore plus précises, et si elles pouvaient mesurer les vibrations atomiques avec plus de précision, elles seraient suffisamment sensibles pour identifier des phénomènes tels que la matière noire et aider à répondre à des questions comme l’effet que la gravité pourrait avoir sur le passage du temps.

Il est intéressant de noter que, pour qu’une horloge atomique soit plus précise, il faut davantage d’énergie pour atteindre cette précision. 

En 2021, une expérience² a signalé une limite à la précision des horloges, la nature imposant un coût énergétique fondamental pour mesurer le temps. Selon la recherche, les horloges qui mesurent le temps plus précisément consomment plus d’énergie que leurs homologues moins précises. 

Un principe clé de la thermodynamique est que l’énergie circule toujours des objets chauds vers les objets froids ; inverser ce flux (comme dans un réfrigérateur) signifie que nous devons le payer ailleurs.

Ainsi, une horloge nécessitant au moins deux fois plus d’énergie pour être deux fois plus précise semble être une loi immuable, jusqu’à présent.

Une équipe de scientifiques de l’TU Wien, de l’Université de Malte et de l’Université technologique de Chalmers a montré qu’en utilisant des astuces spéciales, nous pouvons augmenter la précision de façon exponentielle. 

Le point clé ici est d’utiliser deux échelles de temps différentes, un peu comme une horloge standard possède une aiguille des minutes et une aiguille des secondes.

Comment la physique quantique redéfinit le coût entropique du temps

Les dispositifs physiques qui fonctionnent hors d’équilibre sont influencés par des fluctuations thermiques (déviations aléatoires d’un système par rapport à son état moyen), ce qui limite la précision de leur fonctionnement. Ce problème est plus perceptible à des échelles minuscules et quantiques, où nous avons besoin de dissipation d’entropie pour l’atténuer.

Dans le cas des horloges, un flux thermodynamique vers l’équilibre est nécessaire pour mesurer le temps, entraînant une dissipation minimale d’entropie par tic. 

Bien que les modèles classiques et quantique tendent à montrer une association linéaire entre précision et dissipation, la relation reste encore incertaine. 

Dans la quête des horloges atomiques les plus précises, qui pourraient éventuellement passer à l’énergie nucléaire à l’avenir, ces coûts ne sont pas la préoccupation principale, mais pour un contrôle quantique autonome et de petite taille, la relation exacte entre dissipation et précision constitue potentiellement une préoccupation pratique. 

Dans cet esprit, les chercheurs ont présenté un modèle d’horloge quantique autonome qui a atteint une précision qui augmente de façon exponentielle avec la dissipation d’entropie. 

Cette réussite est rendue possible par un transport cohérent dans une chaîne de spins avec des couplages personnalisés, où la dissipation d’entropie est limitée à un seul maillon, indique l’étude. Les résultats montrent que la dynamique quantique cohérente peut dépasser les limites de précision de la thermodynamique traditionnelle, ce qui pourrait aider au développement de futurs dispositifs quantiques à faible dissipation et haute précision.

« Nous avons analysé en principe quelles horloges pourraient être théoriquement possibles. »

– Professeur Marcus Huber de l’Institut Atomique de l’TU Wien

Il a expliqué qu’une horloge nécessite deux composants. Le premier est un générateur basé sur le temps, comme une oscillation quantique ou un pendule. Le second est un compteur, qui est un élément qui compte les unités de temps, telles que définies par le générateur de base temporel, qui se sont écoulées.

Le générateur de base temporel revient toujours exactement au même état, ou le pendule se trouve exactement où il était avant de compléter une oscillation. 

Par ailleurs, dans une horloge atomique, l’atome de césium revient exactement au même état qu’il occupait auparavant, après un certain nombre d’oscillations. Le compteur, cependant, doit changer pour qu’une horloge soit utile.

« Cela signifie que chaque horloge doit être reliée à un processus irréversible. Dans le langage de la thermodynamique, cela signifie que chaque horloge augmente l’entropie dans l’univers ; sinon, ce n’est pas une horloge. » 

– Florian Meier de l’TU Wien

Dans une horloge à pendule, le pendule génère de la chaleur et du désordre parmi les molécules d’air qui l’entourent. Dans le cas d’une horloge atomique, chaque faisceau laser qui lit l’état de l’horloge génère de la chaleur ainsi que des radiations et donc de l’entropie. Selon Marcus Huber :

« Nous pouvons maintenant envisager combien d’entropie une horloge hypothétique d’une précision extrêmement élevée devrait générer – et, en conséquence, combien d’énergie une telle horloge aurait besoin. Jusqu’à présent, il semblait y avoir une relation linéaire : si vous voulez mille fois la précision, vous devez générer au moins mille fois plus d’entropie et dépenser mille fois plus d’énergie. »

Mais l’équipe de l’TU Wien, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Malte, de l’Université technologique de Chalmers et de l’Académie autrichienne des sciences (ÖAW), a maintenant démontré que cette soi‑disant règle peut être contournée en utilisant deux échelles de temps différentes.

Par exemple, comme l’a expliqué Meier, des particules qui se déplacent d’une zone à une autre peuvent être utilisées pour mesurer le temps, à l’instar des grains de sable qui tombent du haut du verre jusqu’au bas.

Une série de tels dispositifs de mesure du temps peut être connectée en série, et l’on peut alors compter combien d’entre eux sont déjà passés. Cela serait similaire à la façon dont la grande aiguille d’une horloge compte le nombre de tours que la petite aiguille a déjà effectués.

« De cette façon, vous pouvez augmenter la précision, mais pas sans investir plus d’énergie, » a déclaré Marcus Huber. « Parce qu’à chaque fois qu’une aiguille d’horloge complète une rotation complète et que l’autre aiguille est mesurée à un nouvel emplacement – on peut aussi dire chaque fois que l’environnement autour remarque que cette aiguille a changé de position – l’entropie augmente. Ce processus de comptage est irréversible. »

Un autre type de transport de particules autorisé par la physique quantique consiste à traverser toute la structure. Ici, les particules traversent le cadran de l’horloge sans être mesurées.

Pendant ce processus, la particule, d’une certaine façon, est partout sans localisation clairement définie jusqu’à ce qu’elle arrive finalement. C’est alors que la particule est mesurée, dans un processus irréversible qui augmente l’entropie.

Ainsi, l’équipe possède deux processus : un rapide qui ne génère pas d’entropie ou de transport quantique, et l’autre où les particules arrivent à la toute fin.

« L’aspect crucial de notre méthode est qu’une aiguille se comporte purement selon la physique quantique, et que seule l’autre aiguille, plus lente, a réellement un effet générateur d’entropie. »

– Yuri Minoguchi de l’TU Wien

L’équipe a démontré que la stratégie permet une augmentation significative de la précision à chaque augmentation d’entropie, de sorte qu’une précision supérieure à ce qui était auparavant considéré comme possible peut être atteinte.

« De plus, la théorie pourrait être testée dans le monde réel en utilisant des circuits supraconducteurs, l’une des technologies quantiques les plus avancées actuellement disponibles. »

– Simone Gasparinetti, co‑auteur de l’étude et responsable de l’équipe expérimentale à Chalmers 

Huber a qualifié cela de résultat crucial pour la recherche sur les mesures quantiques très précises ainsi que pour la suppression des fluctuations indésirables. De plus, la recherche, a noté Huber, « nous aide à mieux comprendre l’un des grands mystères de la physique : la connexion entre la physique quantique et la thermodynamique. »

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L’impact futur de la mesure du temps quantique sur l’humanité

L’une des ressources les plus précieuses pour nous, les humains, est le temps, qui est limité et irréversible. Le temps est fondamental à notre existence et à notre progrès.

Pour suivre notre temps, les gens ont développé des calendriers, puis à mesure que les sociétés sont devenues plus complexes et technologiques, il est devenu plus important d’avoir une mesure du temps précise. 

Ce dont la mesure du temps a besoin, c’est d’un élément qui oscille à un rythme constant et d’un autre qui compte ces battements ainsi que l’affiche l’heure. 

Cela a conduit au développement des horloges, qui se sont sophistiquées au fil du temps avec des pendules et des oscillateurs à quartz. 

Des montres-bracelets aux horloges utilisées sur les satellites, la plupart des horloges modernes mesurent toujours le temps à l’aide d’un oscillateur à cristal de quartz. Lorsqu’une tension est appliquée à l’oscillateur, il vibre à une fréquence précise, qui agit comme le pendule d’une horloge à pendule, comptant le temps écoulé.

Mais le problème était qu’aucune horloge n’était identique à une autre. Et avec le monde devenant de plus en plus intégré, il y avait besoin d’une façon cohérente et précise de mesurer le temps. Une horloge atomique était une solution naturelle.

Le rêve de l’horloge atomique a réellement commencé il y a plus d’un siècle lorsque les scientifiques James Maxwell et William Thompson ont proposé l’idée. 

Les atomes sont les blocs de construction fondamentaux de toute matière. Au cœur des atomes se trouve le noyau, composé de protons et de neutrons, entouré d’électrons, dont le nombre peut varier. Les électrons sont disposés en niveaux d’énergie distincts, se déplaçant en orbites circulaires autour du noyau. 

Avec les atomes absorbant et émettant des ondes lumineuses de fréquences spécifiques, les scientifiques ont raisonné que les atomes d’un élément donné sont identiques entre eux et ne changent jamais, donc les fréquences de lumière qu’ils absorbent et émettent ne devraient pas non plus changer. 

Bien que l’idée soit apparue à la fin du XIXe siècle, ce n’est que bien plus tard qu’une horloge atomique a réellement été développée. 

Comme c’est souvent le cas, la guerre sert de puissant catalyseur aux avancées scientifiques et technologiques. C’est la guerre qui a conduit à des inventions comme le four à micro‑ondes, le GPS, les ordinateurs, et plus encore, qui aujourd’hui ont des effets profonds sur notre quotidien. 

L’horloge atomique est également apparue à une telle époque. En 1939, le physicien Isidor Rabi a proposé que les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) (le National Bureau of Standards (NBS) à l’époque) utilisent la technique récemment développée de résonance magnétique à faisceau moléculaire qui permettait des mesures précises des moments magnétiques nucléaires comme étalon de temps. 

Il a ensuite mesuré la fréquence à laquelle les atomes de césium absorbent et émettent naturellement les micro‑ondes, soit environ 9,1914 milliards de cycles par seconde, et en a parlé des années plus tard, ce qui a été décrit par le NYT comme un « pendule cosmique » puisant dans les « fréquences radio au cœur des atomes. »

Une horloge basée sur l’ammoniac a été démontrée en 1949, mais elle s’est finalement avérée pas plus précise que les modèles existants.

Au fil du temps, de nouvelles innovations technologiques comme le pompage optique, qui a créé des signaux de résonance magnétique et d’absorption micro‑ondes beaucoup plus forts, et l’interférométrie de Ramsey, utilisée pour la spectroscopie à faisceau moléculaire, ont conduit à des avancées dans le domaine et ont incité d’autres groupes scientifiques à étudier la même chose.

En 1975, l’horloge atomique du NIST était suffisamment précise pour ne ni gagner ni perdre une seconde en 400 000 ans, tandis qu’en 1993, leur horloge atomique est devenue encore plus précise, ne gagnant ni perdant une seconde en 6 millions d’années. 

En 2019, la NASA a développé la Deep Space Atomic Clock pour aider à rendre la navigation des engins spatiaux vers des destinations lointaines comme d’autres planètes plus autonome. Celle‑ci dévie de moins d’une nanoseconde après quatre jours et de moins d’une microseconde après une décennie, ce qui équivaut à une dérive d’une seconde tous les 10 millions d’années.

L’horloge atomique de la NASA était environ 50 fois plus stable que ses homologues sur les satellites GPS, et cela a été réalisé grâce à l’utilisation d’atomes de mercure. 

La « valeur précise et stable » de la différence d’énergie entre les orbites « est vraiment l’ingrédient clé des horloges atomiques, » a déclaré Eric Burt, physicien des horloges atomiques au Jet Propulsion Laboratory (JPL) à l’époque. « C’est la raison pour laquelle les horloges atomiques peuvent atteindre un niveau de performance supérieur aux horloges mécaniques. »

Le type de mesure du temps précise que produisent les horloges atomiques n’est pas requis pour la vie quotidienne, mais il a des implications profondes dans de nombreuses autres industries. Les horloges atomiques ont en fait conduit à des avancées en métrologie, communication, systèmes de navigation avancés et positionnement par satellite.

Aujourd’hui, les connaissances acquises grâce aux dernières recherches visent à stimuler de nombreuses autres avancées. Elles devraient être extrêmement bénéfiques dans divers secteurs, y compris l’intelligence artificielle (IA), la robotique et d’autres domaines émergents.

Par exemple, en alimentant des détecteurs d’ondes gravitationnelles avancés et des satellites de surveillance climatique, les horloges quantiques peuvent améliorer la détection de signaux subtils du système terrestre. Elles fournissent également des références temporelles plus précises qui peuvent permettre de nouveaux niveaux de mesure pour la montée du niveau de la mer, les déplacements tectoniques et la cartographie souterraine.

Dans le domaine de l’IA, les modèles qui combinent des données avec des capteurs distribués pour les usines intelligentes, l’agriculture de précision ou le trading financier peuvent bénéficier d’horloges atomiques précises. Elles peuvent également aider le matériel d’IA renforcé par le quantique, où la mesure du temps quantique peut stabiliser les processeurs quantiques sujets aux erreurs utilisés pour l’apprentissage automatique. Le contrôle fiable des qubits dépend, après tout, d’un timing précis et d’une cohérence de phase.

Des véhicules autonomes aux drones et robots, tous dépendent de la navigation GPS et des horloges locales. Ainsi, des horloges quantiques très précises peuvent permettre une navigation « sans GPS ». Elles peuvent également aider les essaims de robots à mieux se coordonner pour des tâches complexes comme la cartographie distribuée et les opérations de recherche et de secours.

Les communications constituent un autre domaine qui peut grandement bénéficier de ces horloges en termes de portée et de stabilité. Les futurs réseaux sans fil et photoniques en profiteront également, car ils nécessitent une synchronisation ultra‑précise pour le calcul en périphérie à faible latence et les transferts de dispositifs.

Investir dans l’industrie de la mesure avancée

Honeywell International (HON ) est un leader des systèmes de mesure avancés, incluant des dispositifs de chronométrage très précis, des technologies d’horloges atomiques pour l’aérospatiale et la défense, et même l’informatique quantique via Quantinuum, formée par la fusion de Cambridge Quantum et Honeywell. 

L’entreprise opère principalement à travers:

Technologies aérospatiales

• Fournit des produits, logiciels et services pour les avions.
• Sert les fabricants d’équipements, le transport aérien et les secteurs de l’aviation.

Automatisation industrielle

• Fournit des solutions d’automatisation pour des opérations intelligentes, durables et sécurisées.
• Cible des industries telles que la pétrochimie et les sciences de la vie.

Automatisation des bâtiments

• Fournit des solutions pour garantir des installations sûres et durables.

Solutions énergétiques et durabilité

• Propose des capacités de licence intégrées à la science des matériaux et à la chimie.

Honeywell International (HON )

Honeywell a une capitalisation boursière de 154,5 milliards de dollars, ses actions se négociant actuellement à un nouveau sommet de 241 $, en hausse de 6,4 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 8,70 et un PER (TTM) de 27,62, tandis que le rendement du dividende offert est de 1,88 %.

Pour le premier trimestre 2025, l’entreprise a déclaré des ventes de 9,8 milliards de dollars et un bénéfice par action de 2,22 $. Au cours de cette période, Honeywell a utilisé 2,9 milliards de dollars pour le rachat d’actions, les dividendes et les dépenses d’investissement.

« Honeywell a commencé l’année de façon exceptionnelle, dépassant les prévisions sur tous les indicateurs, grâce à une solide croissance organique. Pour le troisième trimestre consécutif, nous avons enregistré à la fois une croissance séquentielle et annuelle du carnet de commandes, stimulée par des taux de commande sains et une demande continue des clients pour nos offres différenciées. »

– PDG Vimal Kapur

Conclusion

La mesure du temps renforcée par le quantique montre qu’avec des expériences continues, même les limites les plus fondamentales de la physique peuvent être repensées. Avec les dernières recherches, à mesure que notre compréhension de la thermodynamique quantique progresse, notre capacité à mesurer le temps avec une grande précision s’améliorera également. 

En combinant des architectures ingénieuses et une connaissance approfondie de l’entropie, les chercheurs remettent en question les anciennes hypothèses sur les coûts énergétiques et d’entropie et ouvrent la voie à une nouvelle ère de systèmes hyper‑précis avec des impacts considérables sur la technologie, les infrastructures, la science et l’univers. 

Études référencées :

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. La précision n’est pas limitée par la deuxième loi de la thermodynamique. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Mesurer le coût thermodynamique de la mesure du temps. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029