International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

Este artículo reporta una exitosa comparación internacional de dos meses de siete relojes ópticos en cuatro institutos de metrología europeos a través de una red de fibra, logrando incertidumbres en la relación de frecuencias tan bajas como $7.7\times10^{-18}$ y proporcionando datos críticos para la futura redefinición del segundo del SI.

Lo esencial

Imagina que tienes los relojes más perfectos del mundo. No son relojes de pulsera estándar; son relojes ópticos que tic-tacan con tanta precisión que solo perderían o ganarían un segundo durante toda la edad del universo. Los científicos han construido estos increíbles cronómetros en diferentes países, pero durante mucho tiempo no pudieron estar seguros de si el reloj en Italia estaba tic-tacando exactamente a la misma velocidad que el de Alemania o el del Reino Unido.

Este artículo es como un boletín de calificaciones de una "Olimpiada de cronometraje" masiva, de dos meses de duración, celebrada a principios de 2023. Esto es lo que sucedió, explicado de forma sencilla:

El Escenario: Una Red de Viaje en el Tiempo de Alta Velocidad

Por lo general, para comparar dos relojes en diferentes países, los científicos utilizan satélites (como el GPS). Pero los satélites son un poco como intentar comparar dos relojes gritando a través de un cañón ventoso; la señal se vuelve un poco borrosa y la comparación no es perfecta.

En cambio, estos científicos utilizaron una gigantesca red de cables de fibra óptica súper estable que se extiende por toda Europa. Imagina esta red como una "autopista súper" para la luz. Conectaron cuatro laboratorios principales de metrología (en Italia, Francia, Alemania y el Reino Unido) con estos cables. Esto les permitió enviar el "tic" de un reloj directamente a otro sin la borrosidad de los satélites.

Los Participantes: Siete Relojes Diferentes

Siete relojes diferentes entraron en la carrera. No todos estaban hechos de la misma manera:

• Algunos utilizaban iterbio (un metal) atrapado como un solo ion (como una canica diminuta y flotante).
• Otros utilizaban átomos de estroncio o mercurio atrapados en una "red" (como un panal hecho de luz).
• Operaban sobre diferentes tipos de "transiciones" (formas en que los átomos saltan entre niveles de energía), lo cual es como si diferentes marcas de relojes utilizaran engranajes internos distintos.

El Gran Logro: La Verificación de los "Gemelos"

El resultado más emocionante provino de comparar dos relojes construidos independientemente en dos países diferentes (uno en el Reino Unido y otro en Alemania). Ambos eran relojes de iones de iterbio que utilizaban un tipo específico y muy complejo de tic-tac (llamada la transición "E3").

• El Resultado: Coincidieron perfectamente entre sí, dentro de un margen de error diminuto (menos de 1 parte en 100 cuatrillones).
• La Analogía: Imagina que dos maestros relojeros en ciudades diferentes construyen un reloj desde cero. Envían sus relojes a un terreno neutral. Cuando los comparan, las manecillas están en exactamente la misma posición, hasta una fracción del grosor de un cabello. Esta fue la primera vez que se demostró que dos relojes ópticos construidos independientemente en diferentes países coincidían a este nivel de precisión.

El Reloj de Mercurio: Un Nuevo Campeón

El reloj en Francia, que utiliza mercurio, también fue una estrella. Fue comparado contra todos los demás relojes de la red. Los resultados mostraron que el reloj de mercurio es increíblemente estable y fiable, proporcionando nuevas mediciones de alta precisión sobre cómo su "tic-tac" se compara con los relojes de iterbio y estroncio.

Por Qué Esto Importa (Según el Artículo)

El artículo explica que el mundo está intentando actualmente redefinir el "segundo". En este momento, el segundo se define por relojes de microondas (el antiguo estándar). Los científicos quieren cambiar a estos nuevos relojes ópticos súper precisos.

Sin embargo, antes de poder cambiar la definición de un segundo, tienes que probar que cada reloj óptico del mundo coincide en lo que es un segundo. Si el reloj en París dice que "un segundo" es ligeramente diferente al reloj en Londres, no puedes cambiar la regla.

Este experimento demostró que:

1. La Red Funciona: Los cables de fibra óptica son tan buenos que no alteran la comparación. Son esencialmente invisibles para la medición.
2. Los Relojes Coinciden: Diferentes tipos de relojes ópticos, construidos por diferentes equipos en diferentes países, todos marcan la misma hora con una precisión increíble.

El "Fallo" en el Sistema

El artículo también menciona un reloj (un reloj de estroncio en Alemania) que tuvo una "enfermedad". Se vio afectado por un problema con un láser que desplazó ligeramente su tiempo. Los científicos no pudieron arreglar esto después de los hechos, por lo que no incluyeron sus números finales en los resultados principales. Sin embargo, aún lo utilizaron para verificar qué tan estables eran los otros relojes, porque incluso con su enfermedad, fue muy constante a corto plazo.

La Conclusión

Este artículo es una vuelta de la victoria para la ciencia internacional. Muestra que hemos construido una "red de tiempo" a través de Europa que es tan precisa que finalmente podemos confiar en que nuestros mejores relojes están todos sincronizados. Este es un paso crucial hacia la actualización de la definición oficial del tiempo mismo, asegurando que el "segundo" que usemos mañana sea tan perfecto como los relojes que construimos hoy.

Resumen técnico

A continuación se presenta un resumen técnico detallado del artículo "Comparación internacional de relojes ópticos utilizando la red de fibra óptica europea".

1. Planteamiento del Problema

Los relojes ópticos han alcanzado incertidumbres de frecuencia fraccionaria en el nivel de $10^{-18}$ y por debajo, lo que los hace superiores a las definiciones actuales del segundo del SI basadas en microondas. Sin embargo, persiste un cuello de botella crítico: verificar la consistencia internacional de estos relojes.

• El Desafío: Si bien las comparaciones intralaboratorio son rutinarias, comparar relojes ópticos independientes entre diferentes países es difícil. Requiere enlaces de fibra confiables a larga distancia, operación sincronizada de múltiples sistemas complejos y la coordinación de presupuestos de incertidumbre sistemática.
• El Objetivo: Para validar la redefinición del segundo del SI basada en transiciones ópticas, la comunidad científica debe demostrar que los relojes ópticos desarrollados independientemente (utilizando diferentes especies atómicas y tecnologías) coinciden entre sí en el nivel de $10^{-18}$ a través de las fronteras internacionales.

2. Metodología

Los autores realizaron una campaña de comparación internacional de relojes de dos meses (24 de febrero – 1 de mayo de 2023) que involucró a cuatro Institutos Nacionales de Metrología (INM) en Europa:

• Institutos: INRIM (Italia), LNE-OP (anteriormente LNE-SYRTE, Francia), NPL (Reino Unido) y PTB (Alemania).
• Infraestructura: La comparación utilizó la red de fibra óptica estabilizada en fase europea (REFIMEVE), conectando:
  • LNE-OP con NPL (785 km)
  • LNE-OP con PTB (1370 km)
  • LNE-OP con INRIM (1023 km)
• Relojes Involucrados (7 en total):
  • Francia (LNE-OP): Reloj de red óptica de $^{199}\text{Hg}$ (SYRTE-Hg).
  • Reino Unido (NPL): Reloj de iones de $^{171}\text{Yb}^+$ (transición E3) y reloj de red óptica de $^{87}\text{Sr}$.
  • Alemania (PTB): Dos relojes de iones de $^{171}\text{Yb}^+$ (transiciones E3 y E2) y un reloj de red óptica de $^{87}\text{Sr}$.
  • Italia (INRIM): Reloj de red óptica de $^{171}\text{Yb}$.
• Análisis de Datos:
  • Se calcularon las razones de frecuencia comparando las frecuencias ópticas de los relojes a través de los enlaces de fibra.
  • Las incertidumbres estadísticas se evaluaron utilizando bins diarios y se inflaron mediante la razón de Birge si la dispersión diaria superaba las expectativas (indicando ruido excesivo).
  • Las incertidumbres sistemáticas incluyeron contribuciones del paquete físico de cada reloj, ruido estadístico y correcciones de corrimiento al rojo relativista.
  • Se calcularon coeficientes de correlación para todos los pares de mediciones para tener en cuenta errores sistemáticos compartidos (por ejemplo, relojes de referencia comunes).

3. Contribuciones Clave

• Primera Verificación Internacional Sub-$10^{-17}$: La campaña logró la primera comparación internacional de dos relojes ópticos desarrollados independientemente ($^{171}\text{Yb}^+$ E3) con una incertidumbre inferior a $1 \times 10^{-17}$.
• Integración de Red a Gran Escala: Coordinó con éxito la operación simultánea de 7 relojes ópticos distintos en 4 países durante 65 días, demostrando la madurez de la red de fibra europea para la metrología.
• Nuevas Razones de Frecuencia: Proporcionó las primeras mediciones internacionales directas de razones de frecuencia que involucran al reloj de $^{199}\text{Hg}$ frente a los relojes de $^{171}\text{Yb}^+$ y $^{87}\text{Sr}$.
• Transparencia de Datos: Liberó un conjunto de datos exhaustivo que incluye 11 razones de frecuencia, matrices de correlación y datos de inestabilidad, sirviendo como referencia para futuros esfuerzos de redefinición del SI.

4. Resultados Clave

• Acuerdo de $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) (NPL vs. PTB):
  • Los dos relojes de $^{171}\text{Yb}^+$ operando en la transición octupolar eléctrica (E3) coincidieron dentro de una incertidumbre de $7.7 \times 10^{-18}$.
  • Esto representa una mejora significativa sobre la comparación anterior basada en GNSS (ROCIT 2022), que tenía una incertidumbre de $2.8 \times 10^{-16}$.
  • Este resultado confirma la consistencia de los relojes de iones construidos independientemente en el nivel de $10^{-18}$.
• Rendimiento del Reloj de $^{199}\text{Hg}$:
  • El reloj de $^{199}\text{Hg}$ de LNE-OP se comparó con los relojes de $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ y $^{87}\text{Sr}$.
  • Los resultados mostraron acuerdo con los valores de referencia (derivados de un ajuste de mínimos cuadrados de 2021) en el nivel de $10^{-17}$.
  • La campaña proporcionó nuevas mediciones directas de menor incertidumbre para las razones $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ y $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$.
• Consistencia del Reloj de Red de $^{171}\text{Yb}$:
  • El reloj de red de $^{171}\text{Yb}$ de INRIM coincidió con el reloj de $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) de PTB dentro de $2.2 \times 10^{-17}$, confirmando la reproducibilidad con la campaña ROCIT de 2022.
• Anomalías e Inconsistencias:
  • PTB-Sr3: Este reloj exhibió un desplazamiento de frecuencia (probablemente debido al láser del reloj) que no pudo corregirse retrospectivamente. En consecuencia, no se reportaron sus razones de frecuencia absolutas, aunque sus datos de inestabilidad se utilizaron para evaluar el rendimiento a corto plazo de la red.
  • Discrepancia $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$: Se observó una discrepancia de $4\sigma$ entre la razón INRIM/NPL $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ y mediciones anteriores de la colaboración BACON (NIST/JILA), aunque se alinea con los datos de RIKEN y los datos más recientes de BACON. Esto destaca los desafíos continuos en la consistencia de las razones de diferentes especies atómicas.

5. Significado

• Camino hacia la Redefinición del SI: Estos resultados son un paso crucial hacia la redefinición del segundo del SI. Demuestran que la comunidad internacional de metrología puede comparar relojes ópticos a través de las fronteras de manera confiable con incertidumbres que se aproximan a $10^{-18}$, un prerrequisito para adoptar una transición óptica como nuevo estándar de tiempo.
• Madurez de la Red de Fibra: El estudio demuestra que la red de fibra óptica europea es una infraestructura robusta y de alta disponibilidad capaz de apoyar campañas de metrología complejas y multinodo con incertidumbre inducida por el enlace despreciable.
• Más Allá de la Metrología: La tecnología demostrada aquí respalda aplicaciones científicas más amplias, incluyendo:
  • Geodesia: Nivelación cronométrica para medir diferencias de potencial geodésico.
  • Física Fundamental: Pruebas de la Relatividad General, búsqueda de materia oscura y detección de variaciones en constantes fundamentales.
  • Comunicación Cuántica: Habilitación de la distribución de claves cuánticas a larga distancia y distribución de frecuencia a radiotelescopios.

En conclusión, este artículo representa un logro histórico en la metrología global, validando la viabilidad de un futuro "segundo óptico" al demostrar que los relojes ópticos independientes pueden compararse internacionalmente con una precisión sin precedentes.