Cada vez que revisa la hora en su teléfono, realiza una transacción en línea o utiliza una aplicación de navegación, depende de la precisión de los relojes atómicos.

Un reloj atómico mide el tiempo basándose en el tictac de los átomos, que oscilan naturalmente a frecuencias estables. Los relojes atómicos actuales funcionan rastreando átomos de cesio, que marcan más de 10 mil millones de veces por segundo. Cada uno de esos tictac se rastrea con precisión mediante láseres que oscilan sincronizados a frecuencias de microondas.

Los científicos están desarrollando relojes atómicos de nueva generación basados ​​en átomos de tictac aún más rápido, como el iterbio, que pueden rastrearse con láseres a frecuencias ópticas más altas. Si se mantienen estables, los relojes atómicos ópticos podrían registrar intervalos de tiempo aún más precisos, hasta 100 billones de veces por segundo.

Ahora, físicos del MIT han encontrado una manera de mejorar la estabilidad de los relojes atómicos ópticos al reducir el "ruido cuántico", una limitación fundamental de las mediciones debido a los efectos de la mecánica cuántica, que oscurece las oscilaciones puras de los átomos. Además, el equipo descubrió que el efecto del láser de un reloj sobre los átomos, previamente considerado irrelevante, puede utilizarse para estabilizar aún más el láser.

Los investigadores desarrollaron un método para aprovechar una "fase global" inducida por láser en átomos de iterbio y potenciaron este efecto con una técnica de amplificación cuántica. El nuevo enfoque duplica la precisión de un reloj atómico óptico, permitiéndole discernir el doble de ticks por segundo en comparación con la misma configuración sin el nuevo método. Además, prevén que la precisión del método debería aumentar de forma constante con el número de átomos en un reloj atómico.

Los investigadores detallan el método, denominado espectroscopia de fase global, en un estudio publicado hoy en la revista Nature. Prevén que la técnica de estabilización de relojes podría, algún día, permitir el uso de relojes atómicos ópticos portátiles que puedan transportarse a diversos lugares para medir todo tipo de fenómenos.

“Con estos relojes, se intenta detectar la materia oscura y la energía oscura, comprobar si realmente existen solo cuatro fuerzas fundamentales e incluso ver si pueden predecir terremotos”, afirma Vladan Vuletić, autor del estudio y profesor de Física Lester Wolfe en el MIT. “Creemos que nuestro método puede ayudar a que estos relojes sean transportables y se puedan desplegar donde se necesiten”.

Los coautores del artículo son Leon Zaporski, Qi Liu, Gustavo Velez, Matthew Radzihovsky, Zeyang Li, Simone Colombo y Edwin Pedrozo-Peñafiel, quienes son miembros del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard y del Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT.

El tiempo corre

En 2020, Vuletić y sus colegas demostraron que un reloj atómico podía aumentar su precisión mediante el entrelazamiento cuántico de sus átomos. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno mediante el cual las partículas pueden comportarse de forma colectiva y altamente correlacionada. Cuando los átomos se entrelazan cuánticamente, redistribuyen cualquier ruido o incertidumbre en la medición de sus oscilaciones, de forma que se revela un tictac más claro y medible.

En su trabajo anterior, el equipo indujo el entrelazamiento cuántico entre varios cientos de átomos de iterbio, que primero enfriaron y atraparon en una cavidad formada por dos espejos curvos. Introdujeron un láser en la cavidad, que rebotó miles de veces entre los espejos, interactuando con los átomos y provocando el entrelazamiento del conjunto. Demostraron que el entrelazamiento cuántico podía mejorar la precisión de los relojes atómicos existentes al reducir esencialmente el ruido, o la incertidumbre entre las frecuencias de pulso del láser y las de los átomos.

En aquel momento, sin embargo, se vieron limitados por la inestabilidad del tictac del láser del reloj. En 2022, el mismo equipo ideó una forma de amplificar aún más la diferencia entre la velocidad del láser y la de los átomos mediante la "inversión temporal", un truco que se basa en entrelazar y desenredar los átomos para amplificar la señal adquirida entre ambos.

Sin embargo, en ese trabajo, el equipo seguía utilizando microondas tradicionales, que oscilan a frecuencias mucho más bajas que los estándares de frecuencia óptica que pueden proporcionar los átomos de iterbio. Era como si hubieran desempolvado minuciosamente una pintura para luego fotografiarla con una cámara de baja resolución.

“Cuando los átomos vibran a 100 billones de veces por segundo, eso es 10.000 veces más rápido que la frecuencia de las microondas”, afirma Vuletić. “En aquel entonces no sabíamos cómo aplicar estos métodos a relojes ópticos de mayor frecuencia, que son mucho más difíciles de mantener estables”.

Acerca de la fase

En su nuevo estudio, el equipo encontró una manera de aplicar su método de inversión temporal previamente desarrollado a los relojes atómicos ópticos. Posteriormente, utilizaron un láser que oscila cerca de la frecuencia óptica de los átomos entrelazados.

«El láser hereda, en última instancia, el tictac de los átomos», afirma el primer autor Zaporski. «Pero para que esta herencia se mantenga a largo plazo, el láser debe ser bastante estable».

Los investigadores descubrieron que podían mejorar la estabilidad de un reloj atómico óptico aprovechando un fenómeno que los científicos habían asumido como irrelevante para su funcionamiento. Se dieron cuenta de que, al enviar luz a través de átomos entrelazados, la interacción puede provocar que estos aumenten su energía y luego la recuperen, conservando la memoria de su viaje de ida y vuelta.

“Podría pensarse que no hemos hecho nada”, dice Vuletić. “Se obtiene esta fase global de los átomos, que suele considerarse irrelevante. Pero esta fase global contiene información sobre la frecuencia del láser”.

En otras palabras, se dieron cuenta de que el láser estaba induciendo un cambio medible en los átomos, a pesar de devolverlos al estado de energía original, y que la magnitud de este cambio depende de la frecuencia del láser.

“En última instancia, buscamos la diferencia entre la frecuencia del láser y la frecuencia de transición atómica”, explica el coautor Liu. “Cuando esa diferencia es pequeña, el ruido cuántico la ahoga. Nuestro método amplifica esta diferencia por encima de este ruido cuántico”.

En sus experimentos, el equipo aplicó este nuevo enfoque y descubrió que a través del entrelazamiento pudieron duplicar la precisión de su reloj atómico óptico.

“Observamos que ahora podemos resolver una diferencia casi dos veces menor en la frecuencia óptica, o la frecuencia de tictac del reloj, sin alcanzar el límite del ruido cuántico”, afirma Zaporski. “Si bien operar relojes atómicos suele ser un problema complejo, las ventajas técnicas de nuestro método lo simplificarán, y creemos que esto puede permitir la creación de relojes atómicos estables y transportables”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los EE. UU., el Departamento de Energía de los EE. UU., la Oficina de Ciencias de los EE. UU., los Centros Nacionales de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica y el Acelerador de Sistemas Cuánticos.

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