By kenna hughes-castleberry publicado el 18 de noviembre de 2022
Si bien los humanos no son la única especie que mide el tiempo, en cierto sentido, lo convertimos en el centro de nuestras vidas. Desde programar trabajos, reuniones o eventos, hasta incluso celebrar cumpleaños, el tiempo se ha convertido en un aspecto influyente de nuestra sociedad. Medimos el tiempo usando relojes, específicamente relojes extremadamente precisos llamados relojes atómicos. "Los relojes atómicos son probablemente una de las tecnologías cuánticas más antiguas y más utilizadas que existen", explicó Dra. Judith Olson, el jefe de la División de Reloj Atómico en FríoQuanta, un cuanto líder en el mercado . No se puede subestimar la importancia de estos relojes para nuestra sociedad, ya que están detrás de la mayor parte de la infraestructura de nuestra sociedad. “Los relojes atómicos sustentan muchas de las tecnologías de las que hemos llegado a depender en nuestra vida diaria: sistemas modernos de comunicaciones, distribución de energía, sistemas de transporte y financiero el comercio depende de estándares precisos de tiempo y frecuencia ”, repitió Helena Margolis, director científico de tiempo y frecuencia del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL).
La razón por la que los relojes atómicos son tan precisos es porque aprovechan las propiedades mecánicas cuánticas de los átomos y las moléculas. Según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), los relojes atómicos se centran en las frecuencias de resonancia atómica para medir el tiempo. Mientras que en un reloj normal (como un reloj de pulsera) una pieza de cuarzo vibra a cierta frecuencia y esa frecuencia se “cuenta” como tiempo, se usa un proceso similar con átomos y láseres especiales. A medida que los átomos cambian de nivel de energía cuando interactúan con frecuencias láser específicas, la respuesta atómica a estas frecuencias permite que el láseres ser estabilizado. Las frecuencias láser estabilizadas pueden entonces “medirse y contarse como el “tictac” de un reloj. Como estas frecuencias de resonancia son una parte inherente de la dinámica cuántica fundamental dentro del reloj, son extremadamente precisas y estables. Los científicos del NIST estudian múltiples relojes atómicos, incluido el F1 cesio reloj, que tiene una tasa de error de un segundo en un millón de años.
Aplicaciones del cronometraje de próxima generación
Debido a su alta exactitud y precisión, los relojes atómicos se han vuelto útiles para varias industrias. “Parte de la razón por la que la tecnología cuántica se centra tanto en los relojes es que ya existe un mercado”, afirmó Olson. “La gente es consciente de que estos relojes existen y son una tecnología útil. La gente los compra y los usa. Muchas otras tecnologías cuánticas están más lejos en el horizonte sin mercados económicos establecidos existentes, como las computadoras cuánticas”. Ya se ha demostrado que los relojes atómicos son una tecnología disruptiva para el cronometraje, que muchos en la industria cuántica esperan que también se traduzca en computadoras cuánticas. Como dijo Olson; "No puedes salir y comprar una computadora cuántica en una tienda en este momento, pero has podido comprar relojes cuánticos, comercialmente ahora, durante décadas". Esto hace que estos dispositivos sean más accesibles para que los investigadores y las empresas los utilicen en el desarrollo de otras tecnologías.
Debido a que estos dispositivos están fácilmente disponibles, muchas industrias ya están aprovechando sus beneficios para obtener ventajas significativas. De GPS satélites a redes locales, estos relojes están mejorando los sistemas de navegación, lo que puede beneficiar a una amplia gama de personas, incluidos los militares. “Por ejemplo, los navegadores por satélite se basan en relojes atómicos a bordo de los satélites para poder calcular y rastrear la posición del receptor”, explicó Margolis. Los relojes atómicos también son especialmente útiles para contarnos más sobre la forma de la Tierra y sus campos gravitatorios. De acuerdo a un ESPÍA 2020 artículo: “Debido a que la presencia de la gravedad afecta la velocidad del paso del tiempo, los relojes más cercanos al nivel del mar en realidad funcionan más lentamente que uno en el Monte Everest, lo que significa que los físicos pueden usar estos relojes para monitorear la forma de nuestro planeta, un campo científico conocido como geodesia.” Esta tecnología podría incluso ayudar a los científicos a rastrear los cambios en el nivel del mar con mayor precisión o proporcionar sistemas de detección y alerta temprana para desastres naturales.
Otras industrias como la financiera también han encontrado beneficios con estos dispositivos. “Se utilizan en casi todas las transacciones financieras”, afirmó Olson. “La mayoría de la gente no piensa en ello, pero los relojes atómicos en última instancia proporcionan marcas de tiempo para transacciones bursátiles y transacciones en cajeros automáticos. Por lo tanto, cada vez que realiza transacciones con dinero o datos, generalmente recibe una etiqueta de tiempo derivada de GPS u otras escalas de tiempo rastreables. Esto es importante para la seguridad y la regulación de los mercados financieros”. Incluso la exploración espacial está encontrando un uso para los relojes atómicos. En 2019, La NASA puso en órbita un reloj atómico. “Estos relojes ayudarían a la nave espacial a orientarse y navegar de forma autónoma”, un reciente Artículo de la NASA explicado. Sin embargo, para obtener más uso de los relojes atómicos, las versiones robustas más pequeñas deben ser diseñado y desarrollado.
Relojes atómicos y computadoras cuánticas
Muchos dentro de la industria cuántica esperan combinar un tipo de tecnología, el reloj atómico, con otra, la computadora cuántica. Investigaciones recientes ya han demostrado que se puede conectar un reloj atómico a una computadora cuántica para hacer un cálculo ultrapreciso. sensor, que podría medir la gravedad y otras fuerzas. “Los relojes atómicos son las mejores referencias de frecuencia que existen”, explicó Olson. “Y la frecuencia es la mejor cualidad medible a la que tiene acceso la humanidad. Por lo tanto, es útil cada vez que se preocupa por la frecuencia exacta de su láser, qué computadoras cuánticas que usan interacciones átomo-láser se preocupan mucho. La estabilidad de las frecuencias láser puede ser una limitación para algunas modalidades de computación cuántica. Porque puede tener ruido de fase, ruido de frecuencia u otras formas en que el ruido puede colarse para destruir la fidelidad de las funciones de la puerta. A menudo, eso se puede mejorar al tener una referencia de frecuencia confiable para bloquear sus láseres o mejorar su rendimiento de ruido, similar a un reloj atómico”.
Con estos sensores precisos compuestos por relojes atómicos y computadoras cuánticas, hay muchos usos para estos sensores cuánticos y dispositivos de imágenes. “Algunas aplicaciones amigables para las personas a corto plazo se encuentran en geología o arqueología, como nuevas técnicas de imágenes en las que se pueden escanear bosques, selvas o el suelo para encontrar ruinas antiguas”, dijo Olson. “Estas técnicas se mantienen durante militar uso, donde el campo de batalla puede ser monitoreado y observado como nunca antes”. Si bien aún es necesario realizar investigaciones, otros han sugerido que estos dispositivos podrían usarse para encontrar potencialmente nuevos depósitos de petróleo o minerales.
Aunque la computación cuántica aún tiene un largo camino por recorrer, Olson cree que los relojes atómicos serán más importantes para la red en general que las computadoras individuales. “Es la red cuántica en la que necesitaremos relojes para transmitir información, sincronizar datos y garantizar comunicaciones cuánticas seguras”, afirmó. "Va a ser importante que entendamos el contenido de tiempo y frecuencia de la información que se transmite... Pero creo que el funcionamiento real de una computadora cuántica dependerá mucho más de las referencias de frecuencia que de un reloj atómico".
Kenna Hughes-Castleberry es redactora de Inside Quantum Technology y comunicadora científica en JILA (una asociación entre la Universidad de Colorado Boulder y el NIST). Sus ritmos de escritura incluyen tecnología profunda, metaverso y tecnología cuántica.
