El gato de Schrödinger aumenta la precisión de los relojes atómicos

Los científicos han logrado utilizar el famoso experimento mental del "gato de Schrödinger" para mejorar la precisión de los relojes atómicos. Este desarrollo promete revolucionar la medición del tiempo y tener aplicaciones en diversos campos científicos y tecnológicos.

Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han logrado un avance significativo en la cronometría con la creación de un nuevo tipo de reloj óptico atómico.

Este dispositivo, que desafía los límites de la precisión temporal, está compuesto por átomos de estroncio dispuestos en un patrón de rejilla. Lo que distingue a este reloj es la utilización de la entrelazamiento cuántico, una interacción casi fantasmal entre grupos de átomos, que permite integrar cuatro relojes distintos en un solo aparato de medición del tiempo.

Gato preciso

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno de la mecánica cuántica que permite que partículas como los átomos, fotones o electrones, estén conectados de tal manera que el estado de uno influye instantáneamente en el estado del otro, independientemente de la distancia que los separe.

En el contexto de los relojes ópticos atómicos, este principio se utiliza para aumentar la precisión de la medición del tiempo. Los átomos entrelazados actúan como si fueran un único sistema, lo que hace que su comportamiento sea más fácil de predecir porque la información sobre una de las partículas automáticamente revela información sobre la otra.

Este comportamiento permite que los relojes sincronicen sus 'tics' con una precisión que supera los límites de los relojes atómicos convencionales.

Sincronización cuántica

Para conseguir estos efectos, los átomos son excitados por un láser a frecuencias específicas que hace que los electrones salten entre niveles de energía. Estos saltos de energía se utilizan para contar 'tics' extremadamente precisos.

Al entrelazar los átomos, se crea una red de átomos superpuestos que vibran al unísono, lo que reduce significativamente las incertidumbres en la medición del tiempo y mejora la estabilidad del reloj.

Este tipo de reloj puede alcanzar precisiones tan altas que incluso registra pequeñas variaciones en la gravedad si los elevamos apenas una fracción de milímetro, lo que tiene aplicaciones potenciales en campos como la geodesia o la navegación por satélite.

Límite cuántico superado

El equipo de la nueva investigación, liderado por el físico Adam Kaufman, ha ido un poco más lejos y seguido un proceso en dos fases para conseguir su original reloj atómico: no solo ha entrelazado los átomos del sistema para alejarlos de perturbaciones, sino que también los ha puesto en estado de superposición siguiendo el modelo del gato imaginado por Schrödinger en 1935. De esta forma ha conseguido que su reloj pueda superar un punto de referencia para la precisión conocido como el "límite cuántico estándar", que es el nivel de precisión que se pensaba no podía ser superado debido al Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

"La superposición de disposiciones atómicas programables con relojes atómicos ópticos ofrece una nueva forma de acercar la precisión de las mediciones al límite de Heisenberg", explican estos investigadores.

Al superar este límite, propio de la incertidumbre del imprevisible comportamiento del mundo cuántico, los nuevos relojes ópticos atómicos no solo pueden medir el tiempo con una precisión sin precedentes, sino que también pueden contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas y mejorar nuestra comprensión de los fenómenos físicos fundamentales, ya que estos relojes permiten un control individual de los átomos a un grado muy alto, tanto en términos de su ubicación como de sus estados energéticos.

Impacto tecnológico

Los hallazgos del equipo, publicados en la revista Nature, no solo reflejan el progreso en la precisión de la cronometría, sino que también abren la puerta a que sistemas de navegación como GPS puedan volverse aún más precisos, así como a que aumente la sincronización de redes de comunicación y se consigan mediciones más exactas de la forma y el campo gravitatorio de la Tierra.

El gato de Schrödinger, originamente considerado solo un experimento mental, 89 años después de su formulación está ayudando a impulsar la tecnología de medición del tiempo hacia nuevas fronteras.

Referencia

Multi-qubit gates and Schrödinger cat states in an optical clock. Alec Cao et al. Nature, volume 634, pages315–320 (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z

Fuente: Levante - EMV