Le principe de fonctionnement d’une horloge atomique repose sur l’asservissement de la fréquence d’un oscillateur sur une fréquence de référence absolue correspondant à la fréquence de transition entre deux états quantiques d’un atome, d’un ion ou d’une molécule. Le signal utile de l’horloge est généré par un oscillateur dont le type dépend de la gamme de fréquence considérée. Afin de comparer la fréquence ν de l’oscillateur à la fréquence de référence atomique ν_at, une partie de ce signal est prélevé. Une synthèse de fréquence permet d’adapter la fréquence de l’oscillateur au domaine de fréquence de la référence atomique en générant un signal d’interrogation de fréquence ν_int proche de ν_at. Cette synthèse est aussi utilisée pour contrôler finement les caractéristiques du signal qui va interagir avec les atomes : amplitude, ajout d’un décalage de fréquence, modulation d’amplitude et/ou de fréquence, …

Schéma d’une horloge atomique passive

 Il existe une très grande variété d’horloges atomiques reposant toutes sur le principe décrit ci-dessus. En fonction du type d’applications, elles diffèrent par leur capacité à être transportée (masse – volume – consommation électrique) et par  leurs performances en termes de :

• Stabilité de fréquence – La stabilité décrit les fluctuations statistiques de la fréquence délivrée par l’horloge.
• Exactitude de fréquence –  L’exactitude correspond à la capacité à évaluer le déplacement de fréquence de façon autonome sans besoin de comparaison avec une horloge exacte de référence. Dans ce cas, le décalage de fréquence dû aux effets systématiques peut-être corrigé mais cette correction est entachée d’une incertitude de représentant l’inexactitude de l’horloge

Fonctionnant dans le domaine optique, les meilleures horloges présentent aujourd’hui des stabilités et exactitudes de fréquence dans la gamme des 10^-18, ce qui correspondrait à une erreur de 1 seconde environ sur une durée équivalente à l’âge de l’univers. Développées dans les grands laboratoires de métrologie dans le monde, leur volume est de l’ordre du m³. Elles sont utilisées pour effectuer des expériences de métrologie fondamentale mais aussi de physique fondamentale, entre autres pour tester la théorie de la relativité d’Einstein.

De nombreuses applications essentielles pour la vie quotidienne (télécommunications, internet, GPS, transports, distribution de l’énergie, …) ont besoin d’horloges atomiques moins performantes mais de dimensions réduites. Les recherches actuelles visent à miniaturiser des horloges atomiques à des dimensions centimétriques, voire inférieures, pour les installer dans des récepteurs GPS et à plus long terme dans les téléphones mobiles.

Grandes classes d’horloges atomiques (en fonction de leurs performances et de leur taille)