Un cronómetro cuántico, hecho de láseres y átomos de helio, puede medir el tiempo con total precisión. No necesita contar los segundos como hacen otros relojes.
Un reloj cuántico puede llevar la cuenta del tiempo sin contar. Este método de observación de experimentos cuánticos, similar a un cronómetro, es una forma sencilla (y siempre precisa) de medir el paso del tiempo.
La física Marta Berholts, de la Universidad de Uppsala (Suecia), y sus colegas basaron el reloj en un tipo de experimento denominado “bomba-sonda”. En estos experimentos, se dispara un pulso láser (la bomba) a una nube atómica, empujándola a un nivel de energía superior. A continuación, se utiliza otro pulso láser menos potente (la sonda) para medir el efecto de la bomba.
Reloj cuántico
Estos experimentos son cruciales para muchas aplicaciones en la ciencia de los materiales, especialmente el desarrollo de paneles solares. Sin embargo, es difícil medir el tiempo que transcurre entre dos pulsos. El nuevo reloj cuántico, fabricado con átomos de helio, resuelve ese problema.
“Es una forma completamente nueva de medir el tiempo”, afirma el físico Ronny Knut, que forma parte del equipo de Berholts. “Con otros relojes, se intenta mejorar la medición del tiempo, haciéndolos cada vez más complejos. Pero en nuestro caso, en realidad vamos en la dirección completamente opuesta. Empleamos la estructura más simple posible que pueda decir la hora”.
Los investigadores dispararon primero un pulso láser a una nube de átomos de helio ultrafríos. Esto llevó a los átomos a una superposición de estados cuánticos. Eso significa que están en varios niveles de energía a la vez. Estos niveles de energía interfieren entre sí, de forma similar a como, en el famoso experimento de las dos rendijas, un solo fotón puede pasar por dos aberturas al mismo tiempo. Así, los átomos crean un patrón de interferencia que cambia con el tiempo.
1,7 trillonésimas de segundo
Cuando los investigadores midieron ese patrón de interferencia durante 1,7 picosegundos (un picosegundo es una trillonésima de segundo), pudieron compararlo con las simulaciones de la interferencia. Esto les permitió encontrar el intervalo de tiempo en el que los patrones coincidían. Como resultado, sabían exactamente cuánto tiempo habían estado los átomos de helio en superposición. La naturaleza no repetitiva del patrón de interferencia hace que sea fácil demostrar que esta determinación del tiempo fue precisa.
La ventaja de esto es que, a diferencia de un reloj tradicional, no hay que medir exactamente el momento en que los átomos se pusieron en superposición. “Cuando se utiliza un contador, hay que definir el punto cero. Se empieza a contar a partir de cierto punto”, dice Berholts. “La ventaja de este enfoque es que no hay que poner en marcha el reloj. Solo tienes que mirar la estructura de interferencia y decir vale, es de hace 4 nanosegundos”.
“Se trata de un experimento muy elegante que será útil para los experimentos de sonda de bombeo”, afirma el físico Gerard Milburn, de la Universidad de Queensland (Australia). Para medir el tiempo en general, no es útil, dice. Pero puede ser extraordinariamente preciso en experimentos en los que solo se mide un intervalo entre dos tiempos.
Interacciones cuánticas
Estos experimentos se realizan ampliamente cuando se estudian sistemas a pequeña escala que cambian rápidamente. Por lo tanto, mejorar la precisión podría ser crucial en este caso. Esto permitiría a los investigadores hacer mediciones extraordinariamente rápidas de sistemas que cambian con el tiempo, como la desintegración de una sola molécula, las interacciones cuánticas entre la luz y la materia o la exposición de un material a un campo magnético.