Físicos del MIT han presentado una técnica que reduce a la mitad el impacto del ruido cuántico en los relojes atómicos ópticos y, con ello, duplica prácticamente su sensibilidad a los "tictacs" de los átomos de iterbio. Se trata de un método llamado global phase spectroscopy (espectroscopia de fase global) que, por primera vez, aprovecha la fase global inducida por la luz láser en átomos entrelazados —una magnitud que muchos consideraban secundaria— para estabilizar el oscilador local y obtener una señal de medición mucho más limpia. El trabajo fue publicado el 8 de octubre de 2025 y se basa en demostraciones anteriores de entrelazamiento y "reversión temporal" (time reversal) en relojes atómicos, pero esta vez a una frecuencia óptica en lugar de microondas.
Por qué el ruido cuántico es el mayor enemigo del tiempo perfecto
En un mundo ideal, un átomo es un oscilador perfecto: su transición entre dos estados de energía "late" con una frecuencia que no decae ni bajo la presión de milenios. En la práctica, la medición de estos latidos está limitada por el límite cuántico estándar (SQL): fluctuaciones estocásticas en la proyección del estado de cada partícula individual que, en conjunto, crean un ruido medible. En los relojes de red óptica (optical lattice clocks) con 171Yb, donde el sistema cuenta con cientos de miles de átomos, el SQL disminuye más lentamente de lo deseado porque el aumento del número de átomos también introduce nuevos desplazamientos sistemáticos de densidad. Por ello, las técnicas que suprimen el ruido de proyección —como el entrelazamiento cuántico y la compresión del espín— se han vuelto cruciales en la carrera por relojes mejores.
Del cesio al iterbio: un salto de las microondas a la óptica
Aunque el estándar internacional de tiempo actual todavía se basa en el cesio y las transiciones de microondas, la nueva generación de relojes trabaja con átomos que oscilan hasta 100 billones de veces por segundo. El iterbio es el favorito en este aspecto: su frecuencia de transición óptica permite una resolución temporal que es órdenes de magnitud más fina que la de las microondas, mientras que el confinamiento en red mantiene a los átomos "en su sitio", reduciendo así el efecto Doppler. Los relojes de iterbio del NIST ya han demostrado una estabilidad y una incertidumbre fraccional total del orden de 10−18, y la reproducibilidad entre dos relojes independientes supera lo que hasta ayer se consideraba el límite de la metrología de laboratorio.
Una nueva idea: la fase global cuánticamente mejorada
El descubrimiento central del equipo del MIT es que la interacción del campo láser con los átomos entrelazados deja una huella de fase global incluso cuando el sistema vuelve a su estado energético inicial. Esta "memoria" no es un efecto secundario sin importancia, sino un portador de información sobre el desajuste (detuning), la diferencia entre la frecuencia del láser y la frecuencia de transición atómica. Al medir y mejorar cuánticamente esta fase global, es posible exprimir el ruido cuántico de la medida crítica y, por tanto, hacer que el reloj sea más sensible a diferencias de frecuencia diminutas. En el artículo se mide directamente una ganancia metrológica de varios decibelios por encima del SQL y una mejora adicional en la sensibilidad al ruido del láser, lo que en la práctica significa una resolución de los "tictacs" dos veces más fina en las mismas condiciones temporales.
Del laboratorio al campo: por qué es crucial un láser estable
Independientemente de la calidad de la "referencia" atómica, los relojes ópticos están en la práctica limitados por la estabilidad del oscilador local: un láser ultraestable que interroga la transición. Cuando el láser "respira", todos los beneficios de un estándar de alta frecuencia se desvanecen. Precisamente por eso, la nueva técnica, que extrae información adicional de la interacción átomo-luz para corregir el láser, representa una doble ganancia: el reloj se defiende simultáneamente del ruido cuántico y aprende a que su "corazón" lata con más calma.
Breve historia de la idea: del entrelazamiento a los protocolos de "reversión temporal"
El equipo del MIT ya demostró entre 2020 y 2022 que el entrelazamiento de grandes conjuntos de átomos redistribuye las incertidumbres de medición de tal manera que el reloj "ve" mejor el latido promedio. Luego introdujeron un enfoque de reversión temporal: después de generar estados entrelazados complejos, la evolución se "rebobina" de cierta manera para amplificar la señal útil mientras tanto y leerla de forma más fiable. Todo esto se mostró primero a frecuencias más bajas (microondas), y el trabajo actual es el primer paso que traslada los mismos principios a la transición óptica del iterbio con una ganancia medible.
Cómo es el experimento: QED de cavidad, red y láser de "retroalimentación"
Un conjunto de átomos de iterbio se enfría a temperaturas de microkelvin y se atrapa en una red óptica de modo que todos los átomos "ven" el mismo campo láser. El sistema se coloca en una cavidad óptica (dos espejos curvos) donde la sonda se refleja varias veces, logrando un fuerte acoplamiento colectivo entre la luz y la materia. En el régimen de medición cuántica no destructiva, la cavidad permite extraer información sobre el desajuste a partir de la fase global (que surge después de la excitación y la vuelta al estado inicial). El reloj devuelve esta información a su propio láser a través de un bucle de retroalimentación, "sincronizando" prácticamente el oscilador con los átomos.
Cuánto es "el doble de bueno" en relojes reales
"El doble de preciso" en el contexto de un reloj óptico significa que el sistema distingue una diferencia de frecuencia dos veces menor en el mismo tiempo de integración. Si, por ejemplo, la desviación estándar de la inestabilidad fraccional era de 1×10−16 en 1 segundo, el cambio a la fase global y la mejora cuántica puede reducir este número a aproximadamente 7×10−17 con el mismo número de átomos y la misma duración de interrogación. En integraciones de un minuto a una hora, la mejora se traduce en alcanzar más rápidamente el dominio de 10−18, lo que abre la puerta a nuevas aplicaciones donde el tiempo se convierte en un sustituto de un altímetro, un sismógrafo o un detector de materia oscura.
Relojes ópticos transportables: un paso más cerca del mundo real
En el último año se ha demostrado que un reloj óptico de iterbio puede empaquetarse, enviarse por mensajería comercial a una distancia de unos 3.000 km y volver a ponerse en marcha como un estándar de frecuencia independiente en otra ubicación. Aunque se trata de un sistema que todavía requiere condiciones estrictas, es una clara señal de que los relojes ópticos están saliendo de los laboratorios limpios para entrar en el dominio de las comparaciones "sobre el terreno". El nuevo método del MIT aborda directamente el mayor problema de estas plataformas —la estabilidad del oscilador después del transporte y en condiciones variables—, ampliando así el horizonte de aplicaciones desde la metrología hasta las geociencias y la seguridad.
Geodesia y el "altímetro de reloj"
Los relojes ópticos son tan sensibles que notan la diferencia en el potencial gravitacional entre dos lugares separados por solo unos centímetros de diferencia de altura. Esto significa que pueden servir como sensores gravimétricos y "altímetros" de nueva generación, útiles para monitorizar los recursos hídricos, el levantamiento del terreno, la actividad volcánica y las anomalías de peso que preceden a los terremotos. Experimentos de laboratorio recientes con relojes en miniatura y comparaciones diferenciales han confirmado que el desplazamiento al rojo gravitacional puede medirse a pequeñas escalas en condiciones más cercanas al mundo real, lo que abre un camino directo hacia relojes en puntos geodésicos, centrales hidroeléctricas o fallas geológicas.
Astrofísica y física fundamental: materia oscura, energía oscura y simetrías
La estabilidad y precisión de los relojes ópticos los convierten en probadores supremos de teorías fundamentales. Un registro suficientemente largo y preciso de las derivas de frecuencia de dos relojes de elementos diferentes puede, por ejemplo, buscar variaciones en las constantes fundamentales o el paso de un objeto compacto de materia oscura a través del sistema solar. En el futuro, los relojes en el espacio —en satélites con buenos enlaces ópticos a tierra— podrían probar simultáneamente la relatividad general y proporcionar una referencia global de tiempo y altura, una infraestructura completamente nueva para la ciencia y la industria.
Qué aporta esta técnica a la industria y a la vida cotidiana
Un tiempo más preciso significa transacciones financieras y sincronización de centros de datos más fiables, un marcado de tiempo más fino en las telecomunicaciones, menos errores en los sistemas de navegación y redes de radio más eficientes. Para los sistemas GNSS globales, los osciladores de referencia más estables reducen los errores en la determinación de la posición, y en las redes 5G/6G, una sincronización de fase más estricta aumenta el ancho de banda y reduce la latencia. En el sector energético, el tiempo preciso mejora la estabilidad síncrona de las redes y facilita la integración de fuentes distribuidas. Todas estas son áreas en las que un reloj óptico transportable que se puede "llevar al lugar" cambia las reglas del juego.
Comparación con otros enfoques y qué queda por resolver
Otros equipos de investigación han demostrado la compresión del espín, las mediciones cuánticas no destructivas y las comparaciones directas de dos conjuntos de relojes "entrelazados" como vías para superar el SQL. Paralelamente, también se están desarrollando técnicas de ingeniería: mejores cámaras de vacío, amortiguación pasiva/activa de vibraciones para cavidades ultraestables y topologías láser que reducen los modos excitados y los desplazamientos térmicos. La global phase spectroscopy del MIT encaja en este panorama como una solución que "captura" información que hasta ahora desechábamos, aumentando la ganancia de los componentes ya existentes sin necesidad de complicar el montaje. Los desafíos que quedan incluyen la escalabilidad sin interacciones de densidad no deseadas, la robustez de los bucles de retroalimentación en el campo y la interoperabilidad con los peines de frecuencias para la distribución del tiempo.
A quién beneficia más esta innovación hoy en día
Para los institutos de metrología y los laboratorios que ya poseen relojes de red óptica de Yb o Sr, el nuevo método puede implementarse como una actualización del esquema de medición y la lógica de estabilización, con cambios mínimos en el paquete atómico. Para los equipos de geodesia y geofísica, que están en fase de transición de los estándares de microondas "portátiles" a los ópticos, la estabilidad adicional del oscilador local es crucial para trabajar fuera de cámaras controladas. Para la industria de la comunicación óptica y la sincronización horaria, los osciladores mejorados significan una referencia más sólida para las redes de fibra óptica y un bloqueo más rápido al estándar de frecuencia.
Cifras clave y qué significan para la práctica
- Resolución 2 veces mayor: el reloj distingue desplazamientos de frecuencia dos veces más pequeños en el mismo tiempo de integración; traducido, esto supone una ganancia metrológica de varios decibelios por encima del SQL, junto con una mejor resistencia al ruido del láser.
- Dominio de 10−18: los relojes de red de Yb actuales ya alcanzan incertidumbres fraccionales totales del orden de 10−18, y alcanzar este dominio más rápidamente significa campañas de campo prácticas en días, no en semanas.
- Transporte de campo de 3.000 km: se ha demostrado el envío comercial de un reloj de Yb transportable y su puesta en marcha de nuevo en una nueva ubicación, lo que confirma que la logística es factible.
Cómo llegar a la aplicación: el ecosistema necesario
Un reloj óptico portátil no es solo un paquete atómico y un láser. Se necesitan peines de frecuencia flexibles, cavidades ópticas de referencia resistentes a los golpes, plataformas optomecánicas estables y una distribución de señal óptica o de microondas fiable. Una campaña de campo exitosa también depende de una red de confianza: acuerdos de intercomparación con otros institutos, infraestructura para enlaces ópticos y software que analice la estabilidad en tiempo real y empareje los datos con medidas geofísicas. La nueva técnica de estabilización a través de la fase global encaja aquí como el "pegamento" que mantiene todos los subsistemas en coherencia de fase.
El panorama general: de los relojes a los nuevos estándares
A medida que la comunidad construye un consenso de que es hora de redefinir el segundo basándose en un estándar óptico, las tecnologías que aceleran el camino hacia bajas incertidumbres en condiciones reales se vuelven estratégicamente importantes. Los relojes más estables y sensibles no son un fin en sí mismos: son un recurso fundamental para sensores, redes y comunicaciones cuánticas, y un campo de pruebas en el que se examina la física más allá del alcance de los aceleradores y telescopios actuales. En este sentido, aprovechar la fase global no es solo una idea ingeniosa, sino también un ejemplo de cómo las magnitudes cuánticas "invisibles" pueden convertirse en la moneda de cambio de la tecnología futura.
Recursos adicionales para lectores que quieran profundizar
Para una visión general del estado de los relojes de red de Yb y sus récords de estabilidad e incertidumbre, merece la pena estudiar las concisas páginas técnicas de los institutos nacionales de metrología. Para comprender las técnicas cuánticas con las que se supera el SQL son útiles los artículos de revisión sobre el entrelazamiento y los protocolos de reversión temporal. Para las aplicaciones en geodesia y pruebas fundamentales —desde mediciones de laboratorio del desplazamiento al rojo gravitacional hasta conceptos de relojes en el espacio— existen extensas revisiones y libros blancos con descripciones de los requisitos experimentales y de ingeniería.
Lecturas relacionadas y enlaces útiles