El cronometraje preciso juega un papel vital en la sincronización de muchos sistemas en todo el mundo, desde redes de telecomunicaciones y redes eléctricas hasta detección de precisión e investigación científica. Tradicionalmente, este proceso se logra comunicándose con satélites utilizando relojes atómicos. Estos relojes pueden dar la hora leyendo las frecuencias resonantes de los átomos de ciertos elementos como el cesio y el rubidio.
La próxima generación de esta tecnología, conocida como reloj óptico, utiliza elementos que tienen frecuencias de resonancia más altas, como el estroncio y el iterbio, y requiere sistemas láser para la medición. Más importante aún, los relojes ópticos ofrecen un nivel mucho más alto de precisión en el cronometraje.
Este artículo examina un nuevo proceso desarrollado recientemente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) para sincronizar relojes ópticos sin tener que sacrificar la fidelidad.
El NIST ha transmitido con éxito pulsos de peine de frecuencia a las montañas de dos islas de Hawái, lo que demuestra que, incluso con señales débiles, los relojes se pueden vincular a los satélites con un alto grado de precisión. Imagen utilizada por cortesía de B. Hayes/NIST
El experimento: sincronización de relojes ópticos
El año pasado, en lo alto de las montañas de Hawái, un equipo de investigadores del NIST llevó a cabo un experimento de transferencia de tiempo óptico con la esperanza de desarrollar un método confiable que pudiera ayudar a las redes de espacio libre a gran escala a interconectar los relojes ópticos terrestres existentes y los futuros relojes espaciales ópticos.
Los investigadores colocaron un módulo láser en el volcán Mauna Loa, dirigido a un reflector ubicado en el pico Haleakala de Maui. A lo largo de una distancia de unos 150 kilómetros, los científicos transmitieron una señal de tiempo de alta precisión a través del aire a niveles de potencia que podrían ser compatibles con futuras misiones espaciales.
Desde el observatorio de Mauna Loa, los miembros del equipo del NIST centraron la atención en Haleakala. Se utilizaron telescopios en la cúpula de Mauna Loa (en la foto) para transmitir la luz láser. Imagen utilizada por cortesía de L. Sinclair/NIST
Los investigadores sugieren que este sistema podría permitir la transferencia de tiempo desde las estaciones terrestres a los satélites a 36.000 kilómetros sobre la Tierra (en órbita geoestacionaria), sincronizando de manera efectiva los relojes ópticos con una precisión de femtosegundos (una cuadrillonésima de segundo). Según NIST, esto daría como resultado una precisión unas 10.000 veces mayor que los enfoques más avanzados. Además, su sistema puede funcionar utilizando solo una intensidad de señal de tiempo mínima sin perder fidelidad, lo que lo hace extremadamente robusto para mitigar las perturbaciones atmosféricas.
La sincronización de instrumentos a grandes distancias con este tipo de precisión abre un tesoro de nuevas posibilidades, particularmente en el ámbito de la física, lo que brinda a los científicos un camino hacia una comprensión más profunda de la estructura del universo. Por ejemplo, este método puede ayudar a probar la relatividad general e incluso brindar información sobre la composición de la materia oscura. Fuera de los relojes ópticos, la conexión de conjuntos de sensores ubicados a grandes distancias entre sí puede avanzar en la interferometría de línea de base muy larga (VLBI), que podría usarse para mejorar las imágenes de agujeros negros.
NIST desarrolla un peine de frecuencia programable en el tiempo
El método de NIST de vincular satélites a relojes ópticos ubicados en lados opuestos del mundo podría redefinir el segundo SI en un estándar óptico dividiéndolo en partes aún más pequeñas. Esto es posible gracias a un avance conocido como peine de frecuencia.
Un peine de frecuencia es un descubrimiento ganador del Premio Nobel que a menudo se describe como una regla para la luz que puede producir longitudes de onda muy finamente separadas medidas con un alto grado de precisión. Usando esta tecnología, los científicos pueden energizar con precisión átomos en relojes ópticos y traducir frecuencias oscilantes de terahercios a frecuencias más bajas.
Para su experimento, el equipo del NIST desarrolló una versión mejorada del peine de frecuencia, denominado peine de frecuencia programable en el tiempo. Según Laura Sinclair, física del campus de Boulder del NIST y una de las autoras del artículo, este método rompe la regla de los peines de frecuencia, que requieren el uso de espaciado de pulso fijo para operaciones de precisión, lo que permite a los científicos obtener resultados extremadamente precisos incluso cuando un sistema tiene poca luz para trabajar.
Los peines de frecuencia programables en el tiempo del NIST podrían permitir a los científicos medir la luz con mayor precisión y exactitud. Imagen utilizada por cortesía de J. Wang/NIST
Debido al peine de frecuencia programable en el tiempo, los investigadores pudieron enviar la señal desde Mauna Loa a Haleakala en un viaje de ida y vuelta de 300 kilómetros utilizando solo 40 microvatios de potencia y solo la intensidad de señal mínima necesaria para sincronizar los dispositivos (conocido como el límite cuántico). En este experimento, la señal penetró más perturbaciones atmosféricas de las que jamás encontraría en un viaje potencial desde la tierra a la órbita geoestacionaria.
Brillante promesa para el futuro del cronometraje óptico
En última instancia, el objetivo del equipo del NIST es formar la columna vertebral de futuras redes de detección en función de sus descubrimientos recientes. Mejorar esta tecnología implica que los investigadores deben reducir el tamaño, el peso y el consumo de energía de este dispositivo, adaptándolo para su uso en sistemas móviles, siendo los más importantes los satélites.
Dado que el NIST es una institución con una larga historia como organismo oficial de normalización de los EE. UU., es probable que esta tecnología se estandarice e implemente en muchos laboratorios en un futuro próximo.
Si bien la sincronización con precisión de femtosegundos no es una actualización prioritaria para la mayoría de las redes de comunicación, esta tecnología presenta un nuevo potencial para las aplicaciones de detección y medición que podrían llevar a los científicos e ingenieros a desarrollar nuevos sistemas.