Los relojes ópticos atómicos de Europa estarán interconectados

La interconexión de todos los relojes ópticos atómicos en Europa será una realidad en los próximos años, gracias a un avance obtenido por especialistas del Physikalisch-TechnischeBundesanstalt (PTB) y del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) de Alemania.

Los ingenieros e investigadores lograron una transferencia de frecuencia óptica de elevada estabilidad empleando una red de fibra óptica convencional. La posibilidad de integración de estos relojes marcará un punto de inflexión en el uso de las frecuencias ópticas en el terreno de la investigación básica y de la industria.

Los relojes ópticos atómicos miden el tiempo con una precisión sin precedentes. Sin embargo, es la capacidad para comparar los relojes entre sí lo que los hace aplicables para las pruebas de alta complejidad en teoría fundamental, en múltiples áreas que van desde la cosmología hasta la física cuántica.

La comparación de las frecuencias ópticas de estos relojes ha demostrado ser un reto, ya que los pocos relojes ópticos existentes en todo el mundo no son precisamente portátiles, debido a su compleja naturaleza. Mediante una red de telecomunicaciones de fibra óptica estándar, los especialistas han logrado una transferencia de frecuencia óptica de alta estabilidad.

Los hallazgos del grupo de ingenieros e investigadores del PTB y del MPQ se han difundido mediante un paper publicado en el medio especializado Science, que se ha titulado “A 920-Kilometer Optical Fiber Link for Frequency Metrology at the 19th Decimal Place”. En tanto, el Physikalisch-TechnischeBundesanstalt (PTB) y el Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) han publicados dos notas de prensa al respecto.

Mediciones más precisas

La fibra óptica conectando ambos institutos se ha instalado bajo tierra a lo largo de 920 kilómetros. Esto demuestra que es posible comparar relojes ópticos situados a grandes distancias, y transmitir la información en forma estable a laboratorios localizados en otros puntos del continente, donde las señales pueden ser utilizadas para experimentos de alta precisión.

En un primer momento, la investigación básica se beneficiaría con esta nueva tecnología, por ejemplo en la determinación precisa de las constantes naturales, las pruebas de validez de la Teoría de la Relatividad General de Einstein o para predicciones de electrodinámica cuántica. En un segundo paso, el proceso podría tener amplias aplicaciones en el terreno de la industria.

Los relojes ópticos atómicos utilizan una frecuencia 100.000 veces mayor en comparación con los relojes de microondas utilizados en la actualidad, y de esta forma pueden medir el tiempo en intervalos mucho más precisos. Lógicamente, esta condición los transforma en una alternativa mucho más útil en el campo de la investigación científica y tecnológica.

En consecuencia, los especialistas se preguntaron cuál sería la forma para transferir las frecuencias ópticas a largas distancias de una manera más eficiente. Las técnicas ya probadas con la ayuda de satélites alcanzan una estabilidad suficiente para las señales de microondas, pero resultan insuficientes para explotar todo el potencial de los relojes ópticos atómicos.

Avances y desafíos superados

Frente a este problema, durante los últimos años los investigadores del MPQ y del PTB han investigado el modo de transmitir las frecuencias ópticas a través de fibras ópticas. Fueron apoyados por el Cluster of Excellence QUEST de la Leibniz Universität Hannover, por la European Space Agency (ESA), por el Deutsches Forschungsnetzwerk (DFN) y por el consorcio alemán GasLine.

Las redes de fibra óptica se utilizan habitualmente en las telecomunicaciones, pero para poder ser aplicadas en este contexto se requirió de la incorporación de novedosos amplificadores ópticos, que se han desarrollado e instalado a lo largo de toda la trayectoria de la red creada.

Otro problema a superar fueron las perturbaciones mecánicas, acústicas o térmicas que se originan a partir de las fluctuaciones de temperatura, el tráfico y otros factores. Las nuevas técnicas aplicadas permiten la detección y compensación de estas perturbaciones, incrementando de esta manera la efectividad de la solución.

Gracias a todos estos avances, las frecuencias ópticas podrán ahora transmitirse con una calidad que sólo estaba disponible hasta el momento en los institutos de metrología. Asimismo, el uso de la infraestructura de fibra óptica que las redes nacionales de investigación ofrecen ya hoy en Europa, permitirán en el futuro la interconexión de los relojes ópticos atómicos de todo el continente. Esto tendrá amplia aplicación en la investigación y la industria.