Los átomos están atrapados en una cavidad óptica compuesta por dos espejos. Cuando se coloca un láser “exprimidor” a través de la cavidad, los átomos se entrelazan y su frecuencia se mide con un segundo láser, como plataforma para relojes atómicos más precisos. Crédito: cortesía de los investigadores
El nuevo diseño de reloj atómico, que utiliza átomos entrelazados, podría ayudar a los científicos a detectar la materia oscura y estudiar el efecto de la gravedad en el tiempo.
Los relojes atómicos son los cronometradores más precisos del mundo. Estos exquisitos instrumentos usan láseres para medir las vibraciones de los átomos, que oscilan a una frecuencia constante, como muchos péndulos microscópicos que oscilan en sincronía. Los mejores relojes atómicos del mundo marcan el tiempo con tal precisión que, si hubieran estado funcionando desde el comienzo del universo, solo estarían desfasados alrededor de medio segundo hoy.
Aún así, podrían ser aún más precisos. Si los relojes atómicos pudieran medir con mayor precisión las vibraciones atómicas, serían lo suficientemente sensibles como para detectar fenómenos como la materia oscura y ondas gravitacionales. Con mejores relojes atómicos, los científicos también podrían comenzar a responder algunas preguntas alucinantes, como qué efecto podría tener la gravedad en el paso del tiempo y si el tiempo mismo cambia a medida que el universo envejece.
Ahora, un nuevo tipo de reloj atómico diseñado por MIT los físicos pueden permitir a los científicos explorar tales cuestiones y posiblemente revelar nueva física.
Los investigadores informan hoy en la revista Naturaleza que han construido un reloj atómico que no mide una nube de átomos oscilantes aleatoriamente, como miden ahora los diseños de última generación, sino átomos que se han entrelazado cuánticamente. Los átomos están correlacionados de una manera que es imposible según las leyes de la física clásica, y eso permite a los científicos medir las vibraciones de los átomos con mayor precisión.
La nueva configuración puede lograr la misma precisión cuatro veces más rápido que los relojes sin enredos.
“Los relojes atómicos ópticos mejorados por entrelazamiento tendrán el potencial de alcanzar una mayor precisión en un segundo que los relojes ópticos de última generación”, dice el autor principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.
Si los relojes atómicos de última generación se adaptaran para medir los átomos entrelazados de la forma en que lo hace la configuración del equipo del MIT, su sincronización mejoraría de tal manera que, durante toda la edad del universo, los relojes estarían menos de 100 milisegundos de diferencia.
Los otros coautores del artículo del MIT son Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao y Vladan Vuletic, profesor de física Lester Wolfe.
Límite de tiempo
Desde que los humanos comenzaron a rastrear el paso del tiempo, lo han hecho utilizando fenómenos periódicos, como el movimiento del sol a través del cielo. Hoy, las vibraciones en los átomos son los eventos periódicos más estables que los científicos pueden observar. Además, un cesio átomo oscilará exactamente a la misma frecuencia que otro átomo de cesio.
Para mantener el tiempo perfecto, los relojes idealmente rastrearían las oscilaciones de un solo átomo. Pero a esa escala, un átomo es tan pequeño que se comporta de acuerdo con las misteriosas reglas de la mecánica cuántica: cuando se mide, se comporta como una moneda lanzada que solo cuando se promedia en muchos lanzamientos da las probabilidades correctas. Esta limitación es lo que los físicos denominan límite cuántico estándar.
“Cuando aumenta el número de átomos, el promedio dado por todos estos átomos va hacia algo que da el valor correcto”, dice Colombo.
Es por eso que los relojes atómicos de hoy están diseñados para medir un gas compuesto por miles del mismo tipo de átomo, con el fin de obtener una estimación de sus oscilaciones promedio. Un reloj atómico típico hace esto usando primero un sistema de láseres para acorralar un gas de átomos ultraenfriados en una trampa formada por un láser. Se envía un segundo láser muy estable, con una frecuencia cercana a la de las vibraciones de los átomos, para sondear la oscilación atómica y, por lo tanto, realizar un seguimiento del tiempo.
Y, sin embargo, el límite cuántico estándar sigue funcionando, lo que significa que todavía hay cierta incertidumbre, incluso entre miles de átomos, con respecto a sus frecuencias individuales exactas. Aquí es donde Vuletic y su grupo han demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar. En general, el entrelazamiento cuántico describe un estado físico no clásico, en el que los átomos de un grupo muestran resultados de medición correlacionados, aunque cada átomo individual se comporta como el lanzamiento aleatorio de una moneda.
El equipo razonó que si los átomos están entrelazados, sus oscilaciones individuales se endurecerían alrededor de una frecuencia común, con menos desviación que si no estuvieran entrelazados. Las oscilaciones promedio que mediría un reloj atómico, por lo tanto, tendrían una precisión más allá del límite cuántico estándar.
Relojes enredados
En su nuevo reloj atómico, Vuletic y sus colegas entrelazan alrededor de 350 átomos de iterbio, que oscila a la misma frecuencia muy alta que la luz visible, lo que significa que cualquier átomo vibra 100.000 veces más a menudo en un segundo que el cesio. Si las oscilaciones de iterbio se pueden rastrear con precisión, los científicos pueden usar los átomos para distinguir intervalos de tiempo cada vez más pequeños.
El grupo utilizó técnicas estándar para enfriar los átomos y atraparlos en una cavidad óptica formada por dos espejos. Luego enviaron un láser a través de la cavidad óptica, donde hizo ping entre los espejos, interactuando con los átomos miles de veces.
“Es como si la luz sirviera como enlace de comunicación entre los átomos”, explica Shu. “El primer átomo que ve esta luz modificará la luz ligeramente, y esa luz también modificará el segundo átomo y el tercer átomo, y a través de muchos ciclos, los átomos se conocen colectivamente y comienzan a comportarse de manera similar”.
De esta manera, los investigadores entrelazan cuánticamente los átomos y luego usan otro láser, similar a los relojes atómicos existentes, para medir su frecuencia promedio. Cuando el equipo realizó un experimento similar sin entrelazar átomos, descubrieron que el reloj atómico con átomos entrelazados alcanzaba la precisión deseada cuatro veces más rápido.
“Siempre puede hacer que el reloj sea más preciso midiendo más tiempo”, dice Vuletic. “La pregunta es cuánto tiempo se necesita para alcanzar cierta precisión. Muchos fenómenos deben medirse en escalas de tiempo rápidas “.
Él dice que si los relojes atómicos de última generación se pueden adaptar para medir átomos entrelazados cuánticamente, no solo mantendrían un mejor tiempo, sino que podrían ayudar a descifrar señales en el universo, como la materia oscura y las ondas gravitacionales, y comenzar a responda algunas preguntas antiguas.
“A medida que el universo envejece, ¿cambia la velocidad de la luz? ¿Cambia la carga del electrón? Dice Vuletic. “Eso es lo que puedes probar con relojes atómicos más precisos”.
Referencia: “Enredo en una transición de reloj atómico óptico” de Edwin Pedrozo-Peñafiel, Simone Colombo, Chi Shu, Albert F. Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Daisuke Akamatsu, Yanhong Xiao y Vladan Vuletić, 16 de diciembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3006-1
Esta investigación fue apoyada, en parte, por DARPA, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval.
