Nueva revolución del tiempo: una red internacional de relojes ópticos redefine el segundo

Por primera vez, una red coordinada de relojes ópticos distribuidos en Europa y Asia ha conseguido comparar sus mediciones con una precisión sin precedentes, superando los límites de los relojes atómicos de cesio. Esta hazaña tecnológica marca un hito en la metrología y acerca la redefinición del segundo, la unidad fundamental del tiempo, a una nueva era basada en la luz y no en las microondas.

En los últimos años, los relojes ópticos se han consolidado como los instrumentos más precisos para la medición del tiempo y la frecuencia, superando ampliamente a los relojes atómicos de cesio que, desde hace décadas, definen el segundo en el Sistema Internacional de Unidades (SI).

El gato de Schrödinger aumenta la precisión de los relojes atómicos

Una nueva investigación, cuyos resultados se publican en la revista Optica, ha desarrollado el mayor experimento hasta la fecha de comparación coordinada de relojes ópticos, involucrando diez relojes distribuidos en seis países y conectados mediante enlaces de fibra óptica y satélite. Este trabajo no solo representa un hito tecnológico, sino que sienta las bases para la futura redefinición del segundo y la construcción de una escala de tiempo global basada en estándares ópticos.

Los relojes ópticos, que emplean transiciones atómicas excitadas por láseres, ofrecen una precisión sin precedentes: pueden medir el tiempo con una exactitud tal que perderían o ganarían menos de un segundo en miles de millones de años. Esta precisión los convierte en herramientas esenciales no solo para la metrología internacional, sino también para experimentos fundamentales en física, como pruebas de la relatividad general, búsqueda de materia oscura y geodesia relativista.

Sin embargo, para que los relojes ópticos puedan reemplazar a los de cesio como referencia internacional, es imprescindible comparar sus frecuencias entre diferentes laboratorios y países, asegurando que todos funcionan dentro de los márgenes de incertidumbre esperados. Tradicionalmente, estas comparaciones se realizaban mediante enlaces satelitales, pero este sistema introduce incertidumbres mucho mayores que las propias de los relojes ópticos, limitando el potencial de estos instrumentos avanzados.

El experimento

El experimento objeto de esta investigación se llevó a cabo durante 45 días en 2022, en el marco del proyecto europeo ROCIT. Participaron relojes de Finlandia, Francia, Alemania, Italia, Reino Unido y Japón.

Para garantizar que las comparaciones entre relojes en diferentes países no añadan errores apreciables, se emplearon enlaces de fibra óptica, capaces de transmitir la señal con una precisión extraordinaria: el margen de error es menor que uno en un trillón de trillones, lo que, en términos prácticos, significa que la diferencia introducida es tan pequeña que puede considerarse despreciable frente a la exactitud de los relojes comparados. La red europea de fibras conectó laboratorios en Francia, Alemania e Italia, y permitió comparar directamente relojes separados por más de 2.000 km.

Asimismo, se emplearon enlaces satelitales (GNSS/IPPP) cuando la fibra no era viable, como en el caso de Japón o Finlandia. Aunque menos precisos, estos enlaces permitieron incluir relojes remotos en la comparación global. Además, se realizaron comparaciones locales dentro de los institutos que albergaban varios relojes, minimizando así los efectos de la transferencia de señal.

Razón de frecuencia

Un aspecto central de este experimento es la medición de las llamadas “razones de frecuencia” entre los distintos relojes ópticos participantes. En términos sencillos, una razón de frecuencia es el cociente entre la frecuencia de funcionamiento de un reloj y la de otro. Es decir, se compara cuántas veces oscila un reloj respecto al otro en el mismo intervalo de tiempo.

Esta comparación es fundamental porque, aunque cada reloj óptico puede operar con un tipo de átomo distinto —y por tanto con frecuencias diferentes—, la relación precisa entre sus frecuencias permite verificar si ambos mantienen la misma exactitud y estabilidad, independientemente de su tecnología o localización.

Así, al medir estas razones de frecuencia con gran precisión, los científicos pueden comprobar la coherencia entre los relojes y detectar cualquier desviación, lo que resulta esencial para avanzar hacia una redefinición internacional del segundo basada en estándares ópticos

Durante la campaña se midieron 38 razones de frecuencia entre los relojes participantes, incluyendo cuatro que se midieron directamente por primera vez en la historia. Muchas de las otras razones se determinaron con incertidumbres significativamente menores que en estudios previos, alcanzando niveles de precisión que abren la puerta a la redefinición del segundo.

Verificación cruzada

Uno de los logros clave fue la verificación cruzada entre diferentes métodos de enlace. Por ejemplo, las comparaciones entre relojes conectados tanto por fibra como por satélite permitieron identificar discrepancias: en algunos casos, se detectaron desviaciones atribuibles a problemas locales en la distribución de señales o a comportamientos anómalos de ciertos relojes. Esta capacidad de identificar y aislar errores es fundamental para la confiabilidad de la futura escala internacional de tiempo óptico.

El análisis estadístico fue a su vez especialmente riguroso. Se evaluaron las correlaciones entre las distintas mediciones, ya que muchas compartían relojes o enlaces comunes, lo que implica que sus incertidumbres no son independientes. Se calcularon más de 700 coeficientes de correlación, permitiendo así una interpretación robusta de los resultados y facilitando la integración de estos datos en futuras campañas internacionales.

¡Es viable!

Este experimento demuestra que es técnicamente viable operar una red internacional de relojes ópticos y comparar sus frecuencias con la precisión requerida para redefinir el segundo. Los resultados ya están influyendo en la elección de las transiciones atómicas que podrían servir como nuevo patrón internacional de tiempo y están contribuyendo a mejorar los valores de referencia de las frecuencias ópticas, según explican estos investigadores en su artículo.

Sin embargo, el estudio también revela que aún existen retos: es necesario reducir aún más las incertidumbres de medición y repetir campañas coordinadas para confirmar la fiabilidad de los relojes y los enlaces. Solo así se podrá garantizar la transición segura hacia una escala de tiempo global basada en relojes ópticos, con aplicaciones que van desde la navegación por satélite hasta nuevas pruebas de las leyes fundamentales de la física.

Será en 2030 cuando la Conferencia General de Pesas y Medidas apruebe, seguramente, una nueva definición del segundo basada en frecuencias ópticas a la que esta investigación habrá contribuido significativamente.