Científicos suecos han creado un reloj cuántico con un principio de funcionamiento diferente al de los relojes tradicionales, incluidos los relojes atómicos. Los relojes cuánticos permitieron detectar un defecto en el funcionamiento de una línea de retardo óptico comercial. Los detalles del estudio fueron publicados en Physical Review Research.

El principio de funcionamiento de la mayoría de los relojes se basa en que exista en su interior alguna oscilación periódica, mecánica o eléctrica. La estabilidad de tales fluctuaciones determina la cantidad de tiempo durante el cual el reloj se atrasa o adelanta en un segundo.

Este principio no cambió durante la transición a relojes atómicos y luego a ópticos más precisos. Su trabajo se basa en vibraciones correspondientes a transiciones entre niveles atómicos. Las frecuencias de las transiciones atómicas muestran una estabilidad mucho mayor.

Relojes cuánticos 

Ahora bien, hay relojes que se atrasan un segundo en unos cientos de miles de millones de años. Debido a que los relojes atómicos operan con una oscilación estable, el tiempo se mide en relación con algún punto de partida.

Ahora, Marta Berholts y sus colegas de la Universidad de Uppsala propusieron un principio completamente diferente para medir el tiempo usando átomos. Su dispositivo se basa en la oscilación coherente de un paquete de ondas de electrones en un átomo de Rydberg. 

Sin embargo, a diferencia de los relojes convencionales, esta oscilación es lo menos periódica posible, haciendo a cada uno de sus tramos de tiempo, únicos. Esto permite determinar con precisión el tiempo transcurrido desde el momento de inicio de la oscilación hasta el momento de la medida sin necesidad de fijar el primero.

Los átomos de Rydberg

Un átomo de Rydberg es un átomo cuyo electrón de valencia ocupa un nivel de energía suficientemente alto. Debido a esto, el radio promedio de su órbita resulta ser muy grande, lo cual determina muchas de las propiedades inusuales de los átomos de Rydberg usados para simulaciones cuánticas y otras aplicaciones. 

Ahora, los físicos utilizaron otra propiedad de los electrones altamente excitados: una dependencia temporal pronunciada de la parte radial de su función de onda.

El comportamiento de la función de onda electrónica obedece a las mismas leyes que son responsables del comportamiento de otros tipos de ondas. Una onda de la misma frecuencia, en ausencia de amortiguamiento, siempre mantiene la misma amplitud en cada ciclo de oscilación. 

La adición de dos ondas con diferentes frecuencias complica la imagen. La amplitud de la oscilación total en sí comienza a oscilar con una frecuencia igual a la mitad de la diferencia de frecuencias. Es como si se produjeran latidos. Agregar más tonos hace que la interferencia sea más difícil. 

La oscilación total en este caso a gran escala sigue siendo periódica, pero con un aumento en el número de componentes del paquete de ondas, el período aumenta. Finalmente, cuando este período comience a exceder el tiempo de vida del sistema oscilatorio, la dependencia de la amplitud con el tiempo será casi única en cada momento de la oscilación. Es este principio el que los físicos emplearon en el nuevo reloj cuántico.

El experimento  

El experimento consistió en la excitación de átomos de helio mediante un pulso ultravioleta corto con un amplio espectro (0,1 electronvoltios). Luego siguió un pulso infrarrojo. Establecieron la hora de llegada del segundo pulso utilizando una línea de retardo motorizada. El sondeo condujo al escape de electrones, cuyo espectro fue medido.

Bajo esas condiciones, la contribución a la amplitud de la probabilidad de ionización fue realizada por muchos estados de Rydberg con números cuánticos superiores a 10. Su interferencia condujo a que la dependencia del tiempo del espectro electrónico permaneciera única a lo largo de toda la vida útil de estados excitados. Siendo el más corto igual a 60 nanosegundos. 

Los físicos observaron hasta 81 picosegundos y compararon los resultados con simulaciones. El modelo incluía tener en cuenta un pequeño desplazamiento de las energías reales del átomo de Rydberg, de las descritas por la fórmula simple de Rydberg. El resultado mostró una muy buena concordancia.

Para acreditar que los relojes funcionaban, los físicos debieron hacer que un intervalo de tiempo arbitrario de datos experimentales no se repitiera durante toda la vida útil del sistema. Probaron esto en 24 segmentos y demostraron que se logra un 100 % de unicidad cuando su longitud supera los 1,7 picosegundos.

La precisión del nuevo reloj se determinó únicamente por la diferencia entre los espectros observados de manera experimental y el modelo teórico. El error total en el ajuste de los parámetros correspondió a un error de reloj de ocho femtosegundos.