Investigadores de Oxford han desarrollado un sistema de relojes atómicos en estado de entrelazamiento cuya precisión puede acercarse al límite establecido por el Principio de Incertidumbre para la física cuántica y penetrar así en los misterios más insondables del universo.
Un reloj atómico es un reloj que utiliza una frecuencia de resonancia atómica para medir el tiempo que tarda un átomo en vibrar.
Los átomos existen en diferentes niveles de energía y una frecuencia de luz específica los hace saltar de un nivel a otro: eso permite a los científicos utilizarlos como segunderos de un reloj para medir el paso del tiempo a escalas cada vez más precisas.
Una nueva investigación, desarrollada en la Universidad de Oxford, ha conseguido ahora algo sorprendente: mantener dos relojes atómicos en estado de entrelazamiento cuántico, a pesar de que estaban separados entre sí por dos metros de distancia.
Este desarrollo contribuirá a que los relojes atómicos sean tan exactos que comiencen a acercarse al límite fundamental de precisión establecido por la mecánica cuántica, según sus desarrolladores.
Vibración atómica
Los relojes atómicos miden el tiempo a través de los patrones de vibración de los átomos, que son increíblemente estables y predecibles. Esta medición del tiempo que realizan los relojes atómicos es extremadamente precisa y se mejora continuamente.
El año pasado, investigadores japoneses y norteamericanos desarrollaron un reloj atómico que puede retrasarse menos de un segundo cada 15.000 millones de años, más de la edad actual del universo. Mejoró la precisión de la medición del tiempo en 3 órdenes de magnitud, respecto a registros anteriores.
Este desarrollo estaba basado en celosía óptica y es un claro ejemplo de cómo los relojes atómicos ópticos, que utilizan luz visible y átomos como el iterbio, tienen el potencial de superar a los relojes atómicos de cesio, que representan la base de esta tecnología.
Relojes entrelazados
La nueva investigación de Oxford demuestra que los relojes atómicos pueden ser todavía más precisos porque aprovechan un fenómeno sorprendente conocido como entrelazamiento cuántico.
El entrelazamiento cuántico, predicho por Einstein (junto a Podolsky y Rosen) en 1935, es uno de los fenómenos más desconcertantes de la mecánica cuántica. Cuando dos partículas, como los átomos, los fotones o los electrones, se entrelazan, experimentan un vínculo inexplicable que se mantiene incluso si las partículas están en lados opuestos del universo.
En 2013, los físicos del MIT y de la Universidad de Boston se valieron del entrelazamiento cuántico para mejorar la precisión de los relojes atómicos: entrelazaron una nube de hasta 3.000 átomos que estaban todos dentro de un mismo dispositivo.
Este sistema utilizó luz láser muy débil, que atraviesa una nube de átomos. Cuando se detectan los fotones tras su paso por la nube, se produce el entrelazamiento colectivo.
El equipo de Oxford ha ido mucho más lejos, porque el entrelazamiento se ha conseguido con dos relojes atómicos separados en dos extremos de una misma habitación.
Primera red cuántica de relojes atómicos
Cada uno de estos relojes atómicos contenía un solo ion de estroncio que, al ser golpeado por un mismo rayo láser en ambos casos, generó el entrelazamiento cuántico entre los iones, aunque estaban separados entre sí.
El resultado de este desarrollo es que se ha creado la primera red cuántica de relojes atómicos entrelazados, que podría usarse para medir el tiempo con más precisión que nunca. Los investigadores redujeron la incertidumbre en las mediciones por un factor de dos órdenes de magnitud respecto a las anteriores marcas de precisión.
Los autores consideran que estos relojes atómicos entrelazados podrían superar el límite cuántico estándar (SQL), que mide la precisión en escalas cuánticas.
Este límite puede ser absoluto y es la frontera a la que, supuestamente, se acerca este desarrollo, ya que, según sus creadores, su resultado puede llegar a superar el límite de Heisenberg, una limitación a la sensibilidad de los relojes atómicos para detectar las vibraciones de los átomos.
En el límite cuántico
Esta limitación se deriva del principio de incertidumbre formulado en 1927 por el físico alemán Werner Heisenberg, según el cual cuanto más precisamente se determina la posición de una partícula, con menos precisión se puede predecir su momento a partir de las condiciones iniciales.
A ese límite de Heisenberg experimentalmente todavía no se ha llegado en la nueva investigación, ya que lo que ha conseguido es un diseño para experimentos relacionados con la computación cuántica.
Sin embargo, este desarrollo es más que suficiente para pensar en una red de relojes atómicos en estado de entrelazamiento cuántico que, en teoría, podría acercarse a ese límite y medir el tiempo con una precisión que hasta ahora se consideraba imposible en un sistema cuántico.
Esta pretendida precisión cuántica podría desvelar también algunos de los misterios del universo, como los que encierran las constantes universales o la materia oscura, destacan los investigadores en el artículo publicado en Nature.
Precisión máxima
“Si bien nuestro resultado es en gran medida una prueba de principio, y la precisión absoluta que logramos está unos pocos órdenes de magnitud por debajo del estado del arte, por lo que esperamos que las técnicas que se muestran aquí puedan algún día mejorar los sistemas del estado del arte, señala Raghavendra Srinivas, uno de los dos primeros autores del estudio.
«En algún momento, se requerirá el entrelazamiento, ya que proporciona un camino hacia la máxima precisión permitida por la teoría cuántica», añade.
«Nuestro experimento muestra la importancia de las redes cuánticas para la metrología, con aplicaciones a la física fundamental, así como a las áreas más conocidas de la criptografía y la computación cuánticas», sentencia a su vez David Lucas, firmante también del artículo.
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