El nuevo tipo de reloj atómico mantiene el tiempo de forma aún más precisa

El diseño de este reloj atómico, que utiliza átomos enredados, podría ayudar a los científicos a detectar la materia oscura y estudiar el efecto de la gravedad en el tiempo.Los átomos están atrapados en una cavidad óptica compuesta por dos espejos. Cuando un láser «exprimidor» se coloca a través de la cavidad, los átomos se enredan, y su frecuencia se mide con un segundo láser, como plataforma para relojes atómicos más precisos.
Jennifer Chu | Oficina de noticias del MIT
Créditos: Foto:cortesía de los investigadores

Los relojes atómicos son los cronómetros más precisos del mundo. Estos exquisitos instrumentos utilizan láseres para medir las vibraciones de los átomos, que oscilan a una frecuencia constante, como muchos péndulos microscópicos que oscilan en sincronía. Los mejores relojes atómicos del mundo guardan el tiempo con tal precisión que, si hubieran estado funcionando desde el principio del universo, hoy sólo estarían apagados alrededor de medio segundo.

Aún así, podrían ser incluso más precisos. Si los relojes atómicos pudieran medir con más precisión las vibraciones atómicas, serían lo suficientemente sensibles para detectar fenómenos como la materia oscura y las ondas gravitacionales. Con mejores relojes atómicos, los científicos también podrían empezar a responder algunas preguntas alucinantes, como el efecto que la gravedad podría tener en el paso del tiempo y si el propio tiempo cambia a medida que el universo envejece.

Ahora, un nuevo tipo de reloj atómico diseñado por los físicos del MIT podría permitir a los científicos explorar tales preguntas y posiblemente revelar nueva física.

Los investigadores informan hoy en la revista Nature que han construido un reloj atómico que no mide una nube de átomos que oscilan aleatoriamente, como lo hacen ahora los diseños de vanguardia, sino átomos que han sido enredados cuánticamente. Los átomos están correlacionados de una manera que es imposible según las leyes de la física clásica, y que permite a los científicos medir las vibraciones de los átomos con mayor precisión.

La nueva configuración puede lograr la misma precisión cuatro veces más rápido que los relojes sin enredos.

«Los relojes atómicos ópticos con enredo tendrán el potencial de alcanzar una mayor precisión en un segundo que los actuales relojes ópticos de última generación», dice el autor principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Si los relojes atómicos de última generación se adaptaran para medir átomos enredados de la manera en que lo hace el equipo del MIT, su tiempo mejoraría de tal manera que, a lo largo de toda la edad del universo, los relojes estarían a menos de 100 milisegundos de distancia.

Los otros coautores del documento del MIT son Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Méndez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, y Vladan Vuletic, el profesor de física Lester Wolfe.

Límite de tiempo

Desde que los humanos comenzaron a rastrear el paso del tiempo, lo han hecho usando fenómenos periódicos, como el movimiento del sol a través del cielo. Hoy en día, las vibraciones en los átomos son los eventos periódicos más estables que los científicos pueden observar. Además, un átomo de cesio oscilará exactamente a la misma frecuencia que otro átomo de cesio.

Para mantener la hora perfecta, los relojes idealmente rastrearían las oscilaciones de un solo átomo. Pero a esa escala, un átomo es tan pequeño que se comporta según las misteriosas reglas de la mecánica cuántica: Cuando se mide, se comporta como una moneda lanzada que sólo cuando se promedia sobre muchas lanzadas da las probabilidades correctas. Esta limitación es lo que los físicos se refieren como el Límite Cuántico Estándar.

«Cuando se aumenta el número de átomos, el promedio dado por todos estos átomos va hacia algo que da el valor correcto», dice Colombo.

Por eso los relojes atómicos de hoy en día están diseñados para medir un gas compuesto de miles de átomos del mismo tipo, con el fin de obtener una estimación de sus oscilaciones medias. Un reloj atómico típico hace esto usando primero un sistema de láseres para acorralar un gas de átomos ultracongelados en una trampa formada por un láser. Un segundo láser, muy estable, con una frecuencia cercana a la de las vibraciones de los átomos, se envía para sondear la oscilación atómica y así llevar un registro del tiempo.

Y sin embargo, el Límite Cuántico Estándar sigue funcionando, lo que significa que todavía hay cierta incertidumbre, incluso entre miles de átomos, con respecto a sus frecuencias individuales exactas. Aquí es donde Vuletic y su grupo han demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar. En general, el entrelazamiento cuántico describe un estado físico no clásico, en el que los átomos de un grupo muestran resultados de medición correlacionados, aunque cada átomo individual se comporta como el lanzamiento aleatorio de una moneda.

El equipo razonó que si los átomos se enredan, sus oscilaciones individuales se apretarían alrededor de una frecuencia común, con menos desviación que si no estuvieran enredados. Las oscilaciones medias que un reloj atómico mediría, por lo tanto, tendrían una precisión más allá del Límite Cuántico Estándar.

Relojes enredados

En su nuevo reloj atómico, Vuletic y sus colegas enredan alrededor de 350 átomos de iterbio, que oscila a la misma frecuencia muy alta que la luz visible, lo que significa que cualquier átomo vibra 100.000 veces más a menudo en un segundo que el cesio. Si las oscilaciones del iterbio pueden ser rastreadas con precisión, los científicos pueden usar los átomos para distinguir intervalos de tiempo cada vez más pequeños.

El grupo utilizó técnicas estándar para enfriar los átomos y atraparlos en una cavidad óptica formada por dos espejos. Luego enviaron un láser a través de la cavidad óptica, donde hizo ping-pong entre los espejos, interactuando con los átomos miles de veces.

«Es como si la luz sirviera de enlace de comunicación entre los átomos», explica Shu. «El primer átomo que ve esta luz modificará la luz ligeramente, y esa luz también modifica el segundo átomo, y el tercer átomo, y a través de muchos ciclos, los átomos se conocen colectivamente y comienzan a comportarse de manera similar».

De esta manera, los investigadores enredan cuánticamente los átomos, y luego usan otro láser, similar a los relojes atómicos existentes, para medir su frecuencia promedio. Cuando el equipo realizó un experimento similar sin enredar átomos, encontraron que el reloj atómico con átomos enredados alcanzaba una precisión deseada cuatro veces más rápido.

«Siempre se puede hacer que el reloj sea más preciso midiendo más tiempo», dice Vuletic. «La pregunta es, ¿cuánto tiempo necesitas para alcanzar una cierta precisión. Muchos fenómenos necesitan ser medidos en escalas de tiempo rápidas.»

Dice que si los actuales relojes atómicos de última generación pueden ser adaptados para medir átomos cuánticamente enmarañados, no sólo mantendrían mejor el tiempo, sino que podrían ayudar a descifrar señales en el universo como la materia oscura y las ondas gravitacionales, y comenzar a responder algunas preguntas antiguas.

«A medida que el universo envejece, ¿cambia la velocidad de la luz? ¿Cambia la carga del electrón?» Vuletic dice. «Eso es lo que se puede investigar con relojes atómicos más precisos».

Esta investigación fue apoyada, en parte, por DARPA, la Fundación Nacional de Ciencia, y la Oficina de Investigación Naval.

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