Un reloj atómico de múltiples conjuntos mejorado mediante herramientas de computación cuántica

Utilizando una nueva técnica para el control cuántico individual, se pueden hacer que múltiples relojes atómicos funcionen a diferentes velocidades, como diferentes manecillas de un reloj. En conjunto, pueden usarse para realizar un mejor cronometraje que cualquier reloj por sí solo. Crédito:Shaw et al.

Los relojes atómicos son una clase de relojes que aprovechan las frecuencias de resonancia de los átomos para mantener el tiempo con alta precisión. Si bien estos relojes se han vuelto cada vez más avanzados y precisos a lo largo de los años, es posible que las versiones existentes no utilicen mejor los recursos de los que dependen para mantener la hora.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California exploraron recientemente la posibilidad de utilizar técnicas de computación cuántica para mejorar aún más el rendimiento de los relojes atómicos. Su artículo, publicado en Nature Physics , introduce un nuevo esquema que permite el uso simultáneo de múltiples relojes atómicos para mantener la hora con una precisión aún mayor.

"Los relojes atómicos tienen décadas de antigüedad, pero su rendimiento mejora cada año", dijo a Phys.org Adam Shaw, coautor del artículo.

"Al mismo tiempo, en los últimos años ha habido un gran impulso en la comunidad de la física atómica para desarrollar las llamadas computadoras cuánticas, dispositivos que controlan los estados cuánticos de átomos individuales para realizar cálculos más allá de las capacidades de una computadora normal. Los relojes y las computadoras son aparentemente bastante diferentes, en los últimos años la gente se ha dado cuenta de que pueden ser altamente sinérgicos."

El objetivo clave del reciente estudio de Shaw y sus colegas fue utilizar algunas de las herramientas subyacentes al funcionamiento de las computadoras cuánticas para mejorar los relojes atómicos. Para ello, los investigadores implementaron experimentalmente una propuesta teórica de hace 10 años, que implica el uso simultáneo de múltiples relojes para marcar el tiempo mejor que un solo reloj, asegurándose de que cada uno de ellos registre el paso del tiempo a diferentes velocidades.

"La idea es básicamente la misma que tener varias manecillas en un reloj:una manecilla de las horas para realizar un seguimiento de los cambios de tiempo más largos y una manecilla de los minutos para realizar un seguimiento más preciso de los cambios de tiempo más cortos", explicó Shaw. "Lo que hemos hecho es esencialmente construir un reloj de múltiples manecillas a escala atómica. Para hacerlo, demostramos una nueva forma de controlar el estado electrónico de átomos individuales con muy alta fidelidad cambiando sus posiciones en un rayo láser".

Los investigadores utilizaron la técnica propuesta para controlar átomos individuales en relojes atómicos. En concreto, se aseguraron de que cada átomo experimentara efectivamente el paso del tiempo más lento o más rápido, dependiendo de su posición dinámica en relación con el rayo láser aplicado.

"Los relojes actuales más precisos del mundo funcionan midiendo el paso del tiempo con un gran conjunto de átomos, pero demostramos que el control individual podría conducir a un mejor rendimiento", dijo Shaw. "En términos más generales, nuestro trabajo muestra el poder de combinar las características de las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos, una unión que muchos otros grupos están trabajando para lograr y mejorar".

Los hallazgos iniciales recopilados por Shaw y sus colegas son muy alentadores y destacan el potencial de las técnicas de computación cuántica en la investigación en metrología. En el futuro, este estudio podría inspirar el desarrollo de otros relojes ópticos cuánticos programables que produzcan rendimientos aún mejores.

Una semana después de que el equipo publicara su artículo, otro grupo de investigación dirigido por Shimon Kolkowitz en Berkeley publicó un artículo que intentaba realizar un reloj de múltiples manecillas similar en Physical Review X. . Su reloj de múltiples manecillas fue creado utilizando una técnica diferente, pero también resalta las ventajas de depender de más de un reloj atómico a la vez.

"En nuestro artículo reciente, controlamos múltiples relojes atómicos individuales, pero los relojes en sí eran relativamente simples:sólo átomos individuales", añadió Shaw.

"Ahora estamos trabajando para utilizar el entrelazamiento cuántico entre átomos individuales dentro de cada reloj para que cada 'manecilla' de nuestro reloj atómico se vuelva más precisa. Hacerlo debería mejorar el rendimiento del reloj y sería un verdadero híbrido de una computadora cuántica y un reloj atómico. "

Más información: Adam L. Shaw et al, Metrología de conjuntos múltiples mediante la programación de rotaciones locales con movimientos atómicos, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02323-w.

Xin Zheng et al, Reducción de la inestabilidad de un reloj de celosía óptica utilizando múltiples conjuntos atómicos, Revisión física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011006.

Información de la revista: Física de la Naturaleza , Revisión física X