Durante siglos, la humanidad ha estado obsesionada con medir el tiempo. Primero, y con ayuda del cielo, definió que un día es lo que tarda el Sol en “salir” y “esconderse” por el horizonte. Luego, con la ayuda de la ciencia, supo que ese lapso es en realidad lo que le toma a la Tierra dar un giro de 360 grados sobre su eje. Hoy, y gracias a la mecánica cuántica, nos valemos de relojes y de aparatos más sofisticados para saber con gran certeza la hora en la que estamos. Pero, ¿es posible medir ese tiempo con más exactitud?
Esa es la pregunta que ha guiado al físico colombiano Edwin Eduardo Pedrozo Peñafiel, que hace unos días ganó el Premio Alejandro Ángel Escobar 2022 en Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, uno de los más importantes del país. El tiempo, dice, es en realidad una arbitrariedad. Así como un día es una rotación de la Tierra de 360 grados, podría, también, no ser una, sino dos. ¿Se imagina un día de 48 horas? Lo importante, dice, es que sabemos que la Tierra da un giro de 360 grados.
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“Para medir el tiempo, lo importante es que haya un movimiento periódico que pueda darnos una regularidad”, dice Pedrozo. Ese movimiento puede ser el de un péndulo, el de la Tierra rotando sobre su eje, o algo mucho más pequeño, como el interior de un átomo, que es lo que usan ahora los científicos de todo el mundo pare definir el tiempo.
A diferencia, por ejemplo, de la Tierra, que está desacelerando su rotación (lo que modificaría el tiempo si lo siguiéramos definiendo a partir del día o la noche), el átomo es una partícula cuyas propiedades no se modifican. En 1968, la comunidad científica acordó que la duración de un segundo son las casi 9.200 millones de oscilaciones (9.192.631.770, para ser exactos) de un átomo de cesio (metal alcalino) en ciertas condiciones.
Esas condiciones son propiciadas por los relojes atómicos, unos aparatos creados en 1949 que manipulan los átomos. Imagine un péndulo y su movimiento oscilatorio. Así, de manera similar, un átomo oscila en un reloj atómico entre dos estados de energía. Esto ha llevado a tener una asombrosa precisión. Para ejemplificarlo, basta decir que si, hipotéticamente, estuviéramos ejecutando un reloj de este tipo desde el comienzo del universo hace 13.800 millones de años, hoy el error sería de solo una fracción de segundo.
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Pero, aún en esa estimación, habría error, lo que ha obligado a los científicos a buscar caminos para enmendarlo. Es en eso en lo que ha trabajado Pedrozo y lo que acaba de reconocer el jurado del Premio: su investigación es “un avance científico en la frontera de la física que revolucionará la precisión de sensores”.
Observando al átomo
Imagine que tira una moneda al aire. Hay 50% de probabilidad de que, al caer, quede en cara, y 50% de probabilidad de que caiga en sello. Si usted la sigue lanzando, una y otra vez, se va a dar cuenta de dos cosas: cada moneda tiene un movimiento particular en el aire, distinto a cualquier otro; y esos porcentajes (50-50) no permanecen siempre así. Existe la oportunidad de estimar si, después de cierto tiempo, es más probable que caiga sello o que caiga cruz, pero para eso hay que lanzar la moneda muchas veces.
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Ahora, imagine a un átomo como si fuera esa moneda: al igual que ella, se va a comportar (a oscilar) de manera particular. Lo que hacen los relojes atómicos ordinarios es observar el comportamiento individual de miles átomos para luego estimar una probabilidad general. El problema con esto, explica Pedrozo, es que el dato colectivo puede ser diferente al dato real de cada átomo. Esto es lo que en la estadística llaman desviación estándar: la cifra global puede ser engañosa respecto al comportamiento individual.
Para arrojar un poco de luz sobre esa desviación, Pedrozo y un equipo de físicos del MIT y de la Universidad de Harvard utilizaron algo que se llama el entrelazamiento cuántico. El académico colombiano se ríe recordando una frase que dijo en 1964 el afamado físico Richard P. Feynman: “Creo que puedo decir que nadie entiende la mecánica cuántica”.
El entrelazamiento emerge naturalmente de la teoría cuántica que desarrolló hace aproximadamente un siglo Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg y otros renombrados físicos. Muchos, incluyendo al famoso Albert Einstein, creían que el entrelazamiento cuántico era una idea demasiado absurda para darse y que no era más que la consecuencia de que la mecánica cuántica fuera una teoría incompleta.
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En términos simples, el entrelazamiento cuántico señala que dos partículas pueden estar enlazadas una a la otra sin importar lo lejos que estén entre sí, compartiendo propiedades. Luis Quiroga Puello profesor de la U. Nacional, PhD en Física de sólidos de la U. Pierre et Marie Curie y profesor emérito de la U. de los Andes, intentó explicar este fenómeno a El Espectador. Hay un concepto que, a ojos de Quiroga, vale la pena tener claro para comprender el entrelazamiento cuántico: el del llamado “principio de superposición”.
Lo que sugiere ese principio es que un objeto cuántico (es decir, un electrón, un átomo o una molécula) puede encontrarse en dos estados a la vez. El siguiente paso es imaginarse lo siguiente: que existan dos objetos cuánticos que comparten información en los que también exista el principio de superposición.
Pedrozo y el resto de físicos del MIT y Harvard implementaron el entrelazamiento cuántico en un reloj atómico óptico, cuyo protocolo de ejecución salió publicado en la revista Nature en 2020. A diferencia del reloj atómico ordinario, el de Pedrozo y sus colegas científicos no tiene que analizar miles de átomos: solo observando uno, puede conocer el comportamiento exacto de los otros.
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“Entrelazamiento cuántico significa que, si conozco el estado de un átomo, puedo conocer el estado cuántico de muchos más que están correlacionados cuánticamente con el átomo que medimos. Solo midiendo uno se puede revelar mucho más del sistema y me da una estadística más precisa”, apunta Pedrozo. Él y sus colegas entrelazaron alrededor de 350 átomos y eso les permitió medir la frecuencia de oscilación con una mayor precisión que la que logra un reloj atómico ordinario. “La implementación de nuestro nuevo protocolo cuántico en relojes atómicos de última generación usando átomos entrelazados cuánticamente -señala el físico- tendrá un impacto en la medición del tiempo”.
La precisión en la medición del tiempo no es una obsesión de los físicos desvinculada de la vida cotidiana. Un reloj atómico más exacto puede tener muchas consecuencias prácticas.
Un segundo cuenta
La aplicación del entrelazamiento cuántico en los relojes atómicos puede ser útil en sistemas como el GPS, que tienen impacto en el día a día de millones de personas. La razón es simple: para funcionar, los sistemas satelitales de comunicación necesitan una triangulación de tres satélites, cada uno de los cuales posee un reloj atómico. Los satélites envían una señal de radio hacia el objeto en la Tierra para calcular su distancia.
La distancia medida por cada satélite del GPS se basa en cuánto tarda la señal de radio en llegar del satélite al objeto en la Tierra. Un retraso de microsegundos en los relojes atómicos puede generar, por ende, errores de cientos de metros o incluso de kilómetros.
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“Hasta hace un par de años era muy difícil pensar, por ejemplo, en el aterrizaje automático de un avión (sin piloto) porque justamente el sistema GPS todavía tiene errores a nivel de metros, lo que es una incertidumbre muy grande para una maniobra como esa. Si tuviéramos una mayor precisión, de centímetros, podríamos automatizarlo. Y eso depende de los relojes atómicos”, dice el colombiano. Las posibilidades de estos artefactos más precisos abarcan también dimensiones mucho más universales.
“Con relojes atómicos ópticos mejorados por entrelazamiento cuántico -finaliza Pedrozo- estaremos equipados para explorar cuestiones científicas importantes como: ¿cuáles son los efectos de la gravedad en el paso del tiempo? ¿El tiempo cambia en sí mismo a medida que el universo envejece o evoluciona?”.