Nuevo hito tecnológico: una red de relojes ópticos sienta las bases para redefinir el segundo

A lo largo del año se realizan en el mundo todo tipo de investigaciones en diversos campos y algunas de ellas terminan logrando hitos. Si hace semanas se creó un chip que aceleraría la llegada de la computación cuántica, ahora una red de relojes ópticos sienta las bases para redefinir el segundo.

Un equipo de investigadores ha realizado la comparación coordinada de relojes ópticos —un tipo de reloj atómico de gran precisión— más exhaustiva realizada hasta la fecha, haciéndolos funcionar simultáneamente en seis países distintos.

Abarcando miles de kilómetros, el experimento representa un paso importante hacia la redefinición del segundo y, en última instancia, el establecimiento de una escala de tiempo óptica global, según indican los investigadores en el estudio publicado en la revista Optica.

Redefinir el segundo

Los investigadores, al comparar los relojes ópticos en seis países, abarcando miles de kilómetros, han dado un paso clave hacia un nuevo estándar global de tiempo.

"Las señales precisas de tiempo y frecuencia proporcionadas por los relojes atómicos son esenciales para muchas tecnologías cotidianas —como el GPS, la gestión de redes eléctricas y la sincronización de transacciones financieras—", señala Helen Margolis, jefa de tiempo y frecuencia en el National Physical Laboratory (NPL) del Reino Unido

Reloj óptico VTT MIKES. Anders Wallin Omicrono

"Nuestros hallazgos podrían ayudar a mejorar el rendimiento de los relojes ópticos de próxima generación, lo que permitiría aplicaciones completamente nuevas y avances científicos que dependen del tiempo y la frecuencia", indica Margolis.

Los relojes ópticos son un tipo de reloj atómico que usa láseres para excitar átomos de forma controlada, lo que provoca que cambien entre niveles de energía específicos. Estos cambios ocurren a frecuencias extremadamente precisas, que actúan como los "tics" del reloj.

Y dado que estos relojes existen en diversas formas, cada uno usando diferentes átomos para medir el tiempo, para aprovechar todo su potencial es necesario compararlos a larga distancia, según explican los investigadores.

Un proyecto en el que se han dado 38 comparaciones —o relaciones de frecuencia— realizadas simultáneamente con diez relojes ópticos distintos. Y cuatro de ellas se llevaron a cabo por primera vez, mientras muchas de las otras se midieron con una precisión mucho mayor que antes.

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Marco Pizzocaro, investigador sénior en el Instituto Nacional de Investigación Metrológica (INRiM) de Italia, señala que "estas mediciones proporcionan información clave sobre qué trabajo aún se necesita para que los relojes ópticos logren la precisión y confiabilidad necesarias para su uso en el cronometraje internacional".

También resalta que este experimento mostró "cómo los relojes ópticos de toda Europa pueden estar conectados para medir relaciones de frecuencia con una precisión de vanguardia". Y esto crea un "laboratorio distribuido".

Por lo que se podría usar "para realizar pruebas de física fundamental, como la búsqueda de materia oscura o pruebas de las leyes básicas de la física".

Conectar los relojes

Durante décadas, el estándar global para mantener el tiempo se ha basado en un promedio de señales de relojes atómicos de microondas de cesio distribuidos por todo el mundo. Sin embargo, hay un impulso creciente para redefinir el segundo del Sistema Internacional de Unidades utilizando relojes ópticos en su lugar.

El grupo de investigadores. Thilina Senaviratne Omicrono

En la actualidad los relojes ópticos son unas 100 veces más precisos que los de cesio y pueden medir el tiempo con tanta exactitud que ganarían o perderían menos de un segundo en miles de millones de años.

Aunque usarlos para la medición internacional del tiempo requiere comparar datos entre diversos relojes ópticos para verificar que estén funcionando correctamente. Algo que los investigadores han hecho en esta investigación.

"Comparar múltiples relojes al mismo tiempo y usar más de una tecnología de enlace proporciona mucha más información que las comparaciones de relojes en pares que se han hecho hasta ahora", afirma Thomas Lindvall, científico sénior en VTT MIKES en Finlandia.

"Con un conjunto coordinado de mediciones, se vuelve posible verificar la coherencia y también obtener resultados más confiables. Estos resultados pueden ayudar a determinar qué reloj(es) óptico(s) deberían usarse en la nueva definición del segundo", concluye.

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Para su investigación, los científicos tuvieron que vincular las señales de frecuencia de los diferentes sistemas de relojes ópticos. Lo hicieron mediante dos métodos: señales de radio desde satélites y luz láser viajando a través de fibras ópticas.

Eso sí, el análisis de datos también presentó algunos desafíos. "No todos los resultados confirmaron lo que esperábamos, y observamos algunas inconsistencias en las mediciones", afirma Rachel Godun, científica principal en el NPL.

"Sin embargo, comparar tantos relojes a la vez y usar más de una técnica para conectarlos facilitó la identificación del origen del problema", continua Godun.

El experimento también identificó algunas áreas donde se necesita más trabajo. Por ejemplo, para confirmar que todos los relojes funcionan como se espera, es necesario reducir las incertidumbres de medición hasta igualar la precisión de los relojes.

Rachel Godun con un reloj óptico. Thilina Senaviratne Omicrono

Después hay que repetir las mediciones para confirmar una operación confiable que genere confianza tanto en los relojes como en los enlaces y se deben cumplir varios otros criterios antes de redefinir el segundo.

Entre ellos se encuentra el demostrar que los relojes ópticos pueden contribuir de forma regular y coherente a las escalas internacionales de tiempo.

Reacciones desde España

Este hito ha provocado una variedad de reacciones, especialmente en España, donde José R. Crespo López-Urrutia, investigador en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg (Alemania), asegura que "el tema en sí es fascinante".

"El trabajo presenta la comparación más exhaustiva a nivel internacional y demuestra que en unos años los problemas técnicos se conseguirán solventar: todos los relojes ópticos de los diversos institutos en los distintos países han de ser estables, comparables y reproducibles hasta los dieciocho decimales", señala.

Thilina Senaviratne Andrew Brookes Omicrono

Cuando pase, "se llegará a un acuerdo internacional para que todos usen un nuevo sistema de referencias ópticas de frecuencia". El investigador apunta que "los relojes tienen que ir todos al mismo ritmo, funcionar continuamente en cada sitio, y estar perfectamente sincronizados".

López-Urrutia indica igualmente que "las ventajas técnicas y científicas serán muy grandes". Sobre esta investigación también se pronuncia Dolores del Campo Maldonado, directora de la División de Magnitudes Mecánicas e Ingeniería en el Centro Español de Metrología (CEM).

"Está previsto que en el 2030 la Conferencia General de Pesas y Medidas apruebe una nueva definición del segundo basada en frecuencias ópticas, con las que se conseguirán exactitudes de medida sin precedentes gracias al desarrollo de los relojes ópticos", señala.

La directora del CEM indica que esta "nueva definición permitirá mejoras significativas en la navegación por satélite, redes eléctricas, computación y comunicaciones o transacciones financieras". No sólo eso, sino que "establecerá las bases para avances en campos fundamentales de la física".