Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

La carrera por el tic perfecto

Imagine el tiempo como un río. Durante siglos, hemos medido su flujo utilizando una balsa simple, fiable pero ligeramente tambaleante: el reloj atómico basado en señales de microondas (como las de su GPS). Estos relojes son buenos, pero tienen un límite en cuanto a qué tan constantes pueden ser. Recientemente, los científicos han construido relojes "ópticos" que utilizan la luz en lugar de microondas. Estos nuevos relojes son como botes de carreras de alta velocidad; son increíblemente rápidos y precisos, marcando el tic cientos de miles de veces más seguido que los antiguos. Sin embargo, hay un inconveniente. Para mantener una escala de tiempo perfecta (como la hora oficial para todo el mundo), se necesita un "volante de inercia" (flywheel): un motor constante que mantenga el bote moviéndose suavemente incluso cuando el volante de dirección (el reloj ultrapreciso) se toma un descanso para recargarse o calibrarse.

Actualmente, los mejores volantes de inercia que tenemos siguen siendo las viejas balsas de microondas (maseres de hidrógeno). Son robustos, pero tambalean demasiado a corto plazo. Esto significa que, incluso si se tiene un reloj óptico superpreciso, no se puede aprovechar plenamente su potencia porque el viejo volante de inercia arrastra todo el sistema, creando un "piso de ruido" que oculta la verdadera perfección del reloj. La gran pregunta en el mundo de la cronometría es: ¿Podemos construir un nuevo tipo de volante de inercia hecho de luz misma? Si podemos hacerlo, podríamos crear una escala de tiempo que sea tan estable como los mejores relojes ópticos, lo que potencialmente llevaría a una redefinición del segundo mismo. Este es el desafío que los investigadores de este artículo se propusieron abordar.

La máquina del tiempo totalmente óptica

En este estudio, un equipo de científicos de JILA, NIST y Vector Atomic decidió dejar de usar los viejos y tambaleantes volantes de microondas e intentar algo radical: construyeron tres escalas de tiempo separadas que funcionan enteramente con luz. En lugar de depender de maseres de hidrógeno para mantener el tiempo entre revisiones, utilizaron tres "volantes de inercia ópticos" diferentes: dos cavidades de silicio superfrías (piense en ellas como espejos hechos de silicio que están enfriados a casi el cero absoluto para evitar que vibren) y un reloj óptico de yodo comercial.

Para mantener estos motores basados en luz en su curso, el equipo utilizó un reloj de red de estroncio altamente fiable como "volante de dirección". Este reloj maestro verificaba la velocidad de los tres volantes de inercia y realizaba ajustes diminutos para mantenerlos sincronizados. El equipo realizó este experimento durante más de 20 días, observando qué tan bien se comparaban estas tres escalas de tiempo totalmente ópticas entre sí.

Los resultados fueron un paso gigante hacia adelante. Cuando se compararon las tres escalas de tiempo, se mantuvieron increíblemente cerca unas de otras. Tras solo unos pocos días de promedio, su inestabilidad relativa cayó por debajo de $10^{-16}$, un nivel de precisión que a un sistema tradicional basado en maseres le tomaría semanas alcanzar. Aún más impresionante, la diferencia de tiempo total entre las tres escalas durante todo el período de 20 días fue de menos de 100 picosegundos (eso es 0,0000000001 segundos). Para ponerlo en perspectiva, si estuviera viendo una película, este error es tan pequeño que ni siquiera notaría si falta un solo fotograma.

Los investigadores también demostraron que podían convertir estas señales basadas en luz de nuevo en señales de radio (el tipo de señales utilizadas por nuestra electrónica actual) sin perder precisión. Descubrieron que el proceso de convertir luz en ondas de radio añadía menos de 2 picosegundos de error, demostrando que este nuevo sistema está listo para comunicarse con nuestra tecnología existente.

Sin embargo, el artículo es cuidadoso al notar que esto no es una varita mágica que lo arregla todo de la noche a la mañana. El sistema todavía depende de que el reloj de estroncio esté disponible para realizar la dirección. Cuando el reloj maestro tomaba un descanso (lo cual sucedía durante unas 6 horas a la vez), las escalas de tiempo se alejaban ligeramente, acumulando una diferencia de unos 20 picosegundos por cada intervalo. Pero incluso con estas brechas, el rendimiento fue muy superior a lo que es posible con la tecnología actual. Los autores sugieren que, a medida que los volantes de inercia ópticos sean más fiables y los relojes maestros funcionen durante períodos más largos, estas escalas de tiempo totalmente ópticas podrían convertirse en el estándar del futuro para mantener el tiempo, reemplazando por completo a los viejos sistemas basados en microondas.

En resumen, el artículo demuestra que es posible construir una escala de tiempo que viva enteramente en el mundo de la luz, ofreciendo un nivel de estabilidad que los viejos métodos de microondas simplemente no pueden igualar. Es una prueba de concepto de que el futuro de la cronometría podría estar brillando un poco más de lo que pensábamos.