Un Reloj Atómico Óptico del MIT con Optimización Cuántica para medir el Tiempo del Futuro

¿Recuerdas esa famosa frase de que ”el tiempo es relativo”? Pues no podía tener más razón. Si miramos atrás en la historia, nos damos cuenta de que el ser humano siempre ha buscado formas de medir el tiempo, adaptándose a lo que observaba en la naturaleza. Desde los relojes de sol que seguían la sombra proyectada, hasta los relojes mecánicos con su inconfundible tic-tac, todos se basan en lo mismo: fenómenos físicos que se repiten una y otra vez, como un latir constante. Al contar esas repeticiones, logramos poner nombre al tiempo que transcurre, aunque en realidad lo único que hacemos es seguir el compás de la naturaleza.

Figura 1: Un Reloj Atómico Óptico del MIT con Optimización

Cuántica para medir el Tiempo del Futuro

Con esta idea en mente, entenderás que un reloj no es más que un sistema físico que varía periódicamente de forma estable. Necesitamos esa estabilidad porque, si no, sería como un latido cardiaco irregular: no nos serviría para medir nada.  Con el tiempo, hemos requerido relojes cada vez más precisos. Ya no nos basta con saber qué hora del día es, sino que necesitamos minutos, segundos, milisegundos... y los necesitamos con precisión porque si no, hay problemas que no pueden resolverse.

La innovación en la medición del tiempo

Para que te hagas una idea de lo importante de esto, el libro “Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time” (Longitud, en español),  narra la historia real del relojero inglés John Harrison y su lucha por resolver el "problema de la longitud" en el Siglo XVIII.​ Durante siglos, los marineros podían calcular su latitud con relativa facilidad, pero determinar la longitud en el mar era un desafío enorme que provocaba incontables naufragios y pérdidas humanas.

Figura 2: Longitude de Dava Sobel

En 1714, el Parlamento Británico ofreció una generosa recompensa para quien desarrollara un método preciso para hacerlo.​ El libro relata cómo John Harrison, autodidacta carpintero y relojero, dedicó más de 40 años a fabricar un cronómetro marino capaz de mantener la hora con precisión en alta mar. Su invento revolucionó la navegación y transformó la exploración global, aunque tuvo que enfrentar la desconfianza y oposición de la élite científica de la época, incluyendo a figuras como Isaac Newton y Edmund Halley.

Relojes Atómicos y Ópticos: Cesio e Iterbio, 

Esta necesidad de tener mejores cronómetros para solucionar más y mejores problemas de nuestra vida, nos ha llevado hasta los sofisticados relojes atómicos que, de forma indirecta, marcan la hora de nuestros teléfonos móviles y relojes. Hasta ahora, los relojes atómicos más comunes usan átomos de Cesio, capaces de tener un ”tic-tac” de más de 10.000 Millones de veces por segundo. 

Figura 3: Reloj Atómico de Cesio

Aunque esto ya supone medir tiempos muy pequeños, los físicos apuntan al siguiente gran paso: los relojes ópticos, basados en átomos todavía más rápidos como el Iterbio, cuyas oscilaciones son hasta cien mil veces más rápidas.

Figura 4: Reloj Óptico de Iterbio en el NIST

El mayor problema es que estos átomos, como era de esperar, resultan increíblemente difíciles de medir. Pero no sólo eso, aún hay otro problema más grande.

Ruido Cuántico en los Relojes

Además, debido a sus tamaños tan reducidos, entra en juego la mecánica cuántica, que introduce una interferencia inevitable conocida como "Ruido Cuántico". Para visualizarlo, imagina un ruido estático microscópico que empaña la señal pura de los átomos.

Figura 5: Ruido cuántico

Aquí es donde entra en juego el descubrimiento revolucionario del MIT. La investigación ”Quantum-amplified global-phase spectroscopy on an optical clock transition”, publicada en la prestigiosa revista Nature, desarrolla un método para aprovechar una ”Fase Global” inducida por láser y potenciando el efecto con amplificación cuántica. Básicamente, notaron que cuando enviaban luz láser a través de átomos entrelazados, estos ”recordaban” la frecuencia del láser después de volver a su estado original.

Figura 6: ”Quantum-amplified global-phase

spectroscopy on an optical clock transition”

¿Y para qué sirve que recuerden la frecuencia? Esta aparente información insignificante permite a los investigadores estabilizar las mediciones frente al Ruido Cuántico. Este novedoso enfoque no sólo permite duplicar la precisión de un reloj atómico óptico, lo que les permite discernir el doble de ”tic-tacs” por segundo, sino que además podría hacer que estos relojes tan precisos fueran transportables y se pudieran instalar donde se necesiten.

Figura 7: El método de ”espectroscopia de fase global”

mantiene estables los láseres de los relojes atómicos

Podría ser que estés pensando: ¿De qué sirve medir el doble de ”tic-tacs” por segundo si ya estamos hablando de billones? Es una pregunta completamente razonable, especialmente cuando en nuestra vida cotidiana sólo consultamos horas, minutos y, como mucho, segundos (salvo que hayas competido como Pedro de la Rosa en Formula 1). Sin embargo, esta precisión extrema podría revolucionar no solo la física fundamental, sino también muchos campos de aplicación. En palabras de uno de los autores del artículo, Vuletic: 

”Con estos relojes, la gente está intentando detectar materia y energía oscuras, comprobar si realmente existen solo cuatro fuerzas fundamentales, e incluso ver si pueden predecir terremotos” 

Figura 8: Reloj atómico del MIT capaz de detectar

materia oscura y efecto de la gravedad

Afinar el ”tic-tac” hasta estos extremos podría resolver cuestiones fundamentales sobre nuestro universo, mientras revoluciona aplicaciones prácticas como GPS más precisos (recuerda el libro de Longitud), relojes cuánticos para drones y satélites, o el monitoreo de cambios geofísicos con precisión extrema. El mundo cuántico nos abre muchas nuevas posibilidades.

Saludos,

Autor: Daniel Romero Ruiz

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