Relojes atómicos del MIT: una nueva tecnología que promete medir el tiempo con exactitud extrema

Cada vez que alguien consulta la hora en su teléfono, realiza una transacción en línea o usa una aplicación de navegación, depende, sin saberlo, de los relojes atómicos: dispositivos cuya precisión define el pulso del mundo moderno. Estos relojes miden el tiempo siguiendo los “tics” naturales de los átomos, que oscilan a frecuencias inalterables.

Hasta ahora, los relojes atómicos más comunes se basaban en átomos de cesio, capaces de “tic-tac”ear más de 10.000 millones de veces por segundo. Sin embargo, los físicos han buscado dar un salto hacia los relojes ópticos, que emplean átomos como el iterbio, cuyas oscilaciones alcanzan frecuencias cien mil veces mayores. El desafío ha sido mantener la estabilidad de esas mediciones frente al ruido cuántico, una interferencia inevitable derivada de la naturaleza misma de la materia.
En un estudio publicado en Nature, un equipo de físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) anunció un avance que podría cambiar las reglas del juego. “Hemos encontrado una manera de reducir el ruido cuántico que oscurece el ‘tic’ puro de los átomos”, explicó Vladan Vuletić, profesor de física en el MIT y autor principal del trabajo. “Nuestro método puede ayudar a que estos relojes sean transportables y desplegables donde se necesiten”.
La técnica, denominada espectroscopía de fase global, permite duplicar la precisión de los relojes atómicos ópticos al aprovechar un efecto antes considerado irrelevante: una fase global inducida por el láser en los átomos de iterbio.
La danza cuántica del tiempo
El equipo de Vuletić lleva años explorando cómo manipular la naturaleza cuántica de los átomos para mejorar la precisión del tiempo. En 2020 demostraron que entrelazar cuánticamente los átomos —hacer que se comporten de forma colectiva y correlacionada— podía reducir el ruido de medición. Al redistribuir la incertidumbre entre los átomos y el láser, el “tic” resultante se volvía más claro.
 

Sin embargo, quedaba un obstáculo: la inestabilidad del láser mismo. En experimentos posteriores, el grupo logró amplificar las diferencias entre las oscilaciones del láser y las de los átomos mediante un proceso de “reversión temporal”. Pero esas pruebas se realizaban con microondas, mucho más lentas que las frecuencias ópticas del iterbio. “Cuando los átomos oscilan 100 billones de veces por segundo, eso es 10.000 veces más rápido que las microondas”, recordó Vuletić. “No sabíamos entonces cómo aplicar estos métodos a relojes ópticos, que son mucho más difíciles de estabilizar”.
La respuesta llegó al observar un fenómeno que hasta ahora se daba por insignificante. Al enviar luz láser a través de los átomos entrelazados, los investigadores notaron que estos “recordaban” la frecuencia del láser después de volver a su estado original. Ese recuerdo se manifestaba como una fase global: una pequeña variación colectiva en los átomos que, según descubrieron, contiene información precisa sobre la frecuencia del láser.
“Uno podría pensar que no ha pasado nada”, comentó Vuletić. “Pero esa fase global guarda información sobre el láser. Y podemos usarla para estabilizarlo”.
El estudiante Leon Zaporski, primer autor del estudio, explicó que su equipo aplicó una técnica de amplificación cuántica a esta fase global, logrando duplicar la precisión de su reloj óptico. “Ahora podemos resolver diferencias casi dos veces más pequeñas en la frecuencia óptica, sin toparnos con el límite del ruido cuántico”, señaló.