Los relojes atómicos son los cronometradores 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 se balancean en sincronía. Los mejores relojes atómicos del mundo marcan el tiempo con tal precisión que, si hubieran estado funcionando desde el principio del universo, hoy solo estarían apagados alrededor de medio segundo.

Todavía, podrían ser incluso más precisos. Si los relojes atómicos pudieran medir con mayor 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 comenzar a responder algunas preguntas alucinantes, como qué efecto podría tener la gravedad sobre el paso del tiempo y si el tiempo mismo cambia a medida que el universo envejece.

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

Los investigadores informan en la revista Naturaleza que han construido un reloj atómico que no mide una nube de átomos oscilantes aleatoriamente, como miden ahora los diseños de vanguardia, sino átomos que se han entrelazado cuánticamente. Los átomos están correlacionados de una manera que es imposible según las leyes de la física clásica, y eso 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 mejorados por entrelazamiento tendrán el potencial de alcanzar una mayor precisión en un segundo que los relojes ópticos de última generación actuales, "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 los átomos entrelazados de la forma en que lo hace la configuración del 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.

Los otros coautores del artículo 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 utilizando fenómenos periódicos, como el movimiento del sol a través del cielo. Hoy dia, las vibraciones en los átomos son los eventos periódicos más estables que los científicos pueden observar. Es más, un átomo de cesio oscilará exactamente a la misma frecuencia que otro átomo de cesio.

Para mantener el tiempo perfecto Los relojes idealmente seguirían las oscilaciones de un solo átomo. Pero a esa escala, un átomo es tan pequeño que se comporta de acuerdo con las misteriosas reglas de la mecánica cuántica:cuando se mide, se comporta como una moneda lanzada al aire que solo cuando se promedia en muchos lanzamientos da las probabilidades correctas. Esta limitación es a lo que los físicos se refieren como el límite cuántico estándar.

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

Es por eso que los relojes atómicos de hoy están diseñados para medir un gas compuesto por miles del mismo tipo de átomo, para 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 ultraenfriados 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 realizar un seguimiento del tiempo.

Y todavía, el límite cuántico estándar sigue funcionando, lo que significa que todavía hay algo de 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 están entrelazados, sus oscilaciones individuales se endurecerían alrededor de una frecuencia común, con menos desviación que si no estuvieran enredados. Las oscilaciones promedio que mediría un reloj atómico, por lo tanto, tendría una precisión más allá del límite cuántico estándar.

Relojes enredados

En su nuevo reloj atómico, Vuletic y sus colegas entrelazan 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 de iterbio se pueden rastrear 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-pon entre los espejos, interactuando con los átomos miles de veces.

"Es como si la luz sirviera como enlace de comunicación entre átomos, "Shu explica." 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 este modo, los investigadores entrelazan cuánticamente los átomos, y luego use otro láser, similar a los relojes atómicos existentes, para medir su frecuencia media. Cuando el equipo realizó un experimento similar sin entrelazar átomos, descubrieron que el reloj atómico con átomos entrelazados alcanzaba la precisión deseada cuatro veces más rápido.

"Siempre 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 deben medirse en escalas de tiempo rápidas ".

Él dice que si los relojes atómicos de última generación se pueden adaptar para medir átomos entrelazados cuánticamente, no solo mantendrían un mejor tiempo, pero podrían ayudar a descifrar señales en el universo como la materia oscura y las ondas gravitacionales, y empezar a responder algunas preguntas antiguas.

"A medida que el universo envejece, ¿Cambia la velocidad de la luz? ¿Cambia la carga del electrón? ", Dice Vuletic." Eso es lo que se puede sondear con relojes atómicos más precisos ".