La durée d’interaction dans une fontaine à atomes froids étant déterminée par la hauteur du dispositif, il ne semble pas raisonnable d’espérer augmenter cette durée d’un ordre de grandeur, ce qui conduirait à une augmentation de la hauteur du dispositif de deux ordres de grandeur, à cause de la relation .

Afin de s’affranchir de cette limitation, une solution consiste à faire fonctionner l’horloge dans l’espace en microgravité : les atomes froids ne tombent alors plus par rapport à l’horloge, ce qui permet d’atteindre des durées d’interaction bien plus importantes que celles accessibles sur Terre. Ainsi, une horloge à atomes froids spatiale, PHARAO, a été développée en France par des laboratoires (SYRTE, LKB), des industriels (Sodern, Thales) et l’agence spatiale française CNES.

L’horloge PHARAO, unique au monde et qui a nécessité deux décennies de développement, va être installée en 2017 à bord de la Station Spatiale Internationale dans le cadre de la mission spatiale européenne ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) de l’Agence Spatiale Européenne ESA. La mission ACES permettra de faire fonctionner pour la première fois dans l’espace une horloge à atomes froids, associée à un maser actif à hydrogène, avec des objectifs principaux en métrologie et en physique fondamentale, incluant une mesure très précise du décalage gravitationnel. Cette mission sera aussi un précurseur de futures missions visant à tester dans l’espace différents aspects du principe d’équivalence, énoncé par Einstein, qui est le pilier de la théorie de la relativité.