Reloj de lógica cuántica

Un reloj cuántico es un tipo de reloj atómico con iones individuales enfriados por láser y confinados en una trampa de iones electromagnética . Desarrollado en 2010 por físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU ., el reloj era 37 veces más preciso que el estándar internacional vigente en ese momento. ^{[ 1 ]} El reloj de lógica cuántica se basa en un ion de espectroscopia de aluminio con un átomo lógico.

Tanto el reloj cuántico de aluminio como el reloj atómico óptico de mercurio miden el tiempo mediante la vibración de iones a una frecuencia óptica utilizando un láser UV , que es 100 000 veces superior a las frecuencias de microondas utilizadas en el NIST-F1 y otros estándares de tiempo similares en todo el mundo. Los relojes cuánticos de este tipo son mucho más precisos que los estándares de microondas.

El equipo del NIST no puede medir los tics del reloj por segundo porque la definición de un segundo se basa en el estándar NIST-F1, que no puede medir una máquina más precisa que ella misma. Sin embargo, la frecuencia medida del reloj de iones de aluminio con respecto al estándar actual es1 121 015 393 207 857 .4(7)  Hz . ^{[ 2 ]} El NIST ha atribuido la precisión del reloj al hecho de que es insensible a los campos magnéticos y eléctricos de fondo, y no se ve afectado por la temperatura. ^{[ 3 ]}

En marzo de 2008, físicos del NIST describieron un reloj lógico cuántico experimental basado en iones individuales de berilio y aluminio . Este reloj se comparó con el reloj de iones de mercurio del NIST . Estos fueron los relojes más precisos que se habían construido, ya que ninguno de ellos ganaba ni perdía tiempo a un ritmo que superara un segundo en más de mil millones de años. ^{[ 4 ]}

En febrero de 2010, los físicos del NIST describieron una segunda versión mejorada del reloj de lógica cuántica basado en iones individuales de magnesio y aluminio . Considerado el reloj más preciso del mundo en 2010 con una imprecisión de frecuencia fraccionaria de 8,6 × 10⁻¹⁸ ^, ofrece más del doble de precisión que el original. ^{[ 5 ] [ 6 ]} En términos de desviación estándar , el reloj de lógica cuántica se desvía un segundo cada 3680 millones de años, mientras que la incertidumbre del reloj atómico de fuente de cesio NIST-F1, estándar internacional vigente en ese momento, era de aproximadamente 3,1 × 10⁻¹⁶ y ^se esperaba que no ganara ni perdiera un segundo en más de 100 millones de años. ^{[ 7 ] [ 8 ]} En julio de 2019, científicos del NIST demostraron un reloj con una incertidumbre total de 9,4 × 10 ⁻¹⁹ (se desvía un segundo cada 33.700 millones de años), lo que constituye la primera demostración de un reloj con una incertidumbre inferior a 10 ⁻¹⁸ . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

En un artículo de 2020, los científicos ilustraron que los relojes cuánticos podrían experimentar una superposición de tiempos propios, posiblemente comprobable experimentalmente, mediante la dilatación del tiempo de la teoría de la relatividad, según la cual el tiempo transcurre más lentamente para un objeto en relación con otro cuando el primero se mueve a mayor velocidad. En la "dilatación del tiempo cuántico", uno de los dos relojes se mueve en una superposición de dos paquetes de ondas de momento localizados ; por lo tanto, existe la posibilidad de que ambos relojes experimenten una superposición de tiempos propios ^{[ 13 ]} . Esto, en el contexto de la interferometría de relojes relativistas, resulta en un cambio a la dilatación del tiempo clásica. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 12 ]}

La precisión de los relojes de lógica cuántica fue brevemente reemplazada por relojes de red óptica basados ​​en estroncio-87 e iterbio-171 hasta 2019. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Un reloj de red óptica experimental fue descrito en un artículo de Nature de 2014. ^{[ 16 ]} En 2015, JILA evaluó la incertidumbre de frecuencia absoluta de su último reloj de estroncio-87 de 429 THz (429 228 004 229 873 .0  Hz ^{[ 17 ]} ) reloj de red óptica a 2,1 × 10 ⁻¹⁸ , que corresponde a una dilatación del tiempo gravitacional medible para un cambio de elevación de 2 cm (0,79 in) en el planeta Tierra que según el becario de JILA/NIST Jun Ye está "realmente cerca de ser útil para la geodesia relativista ". ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} Con esta incertidumbre de frecuencia, se espera que este reloj óptico de red óptica de JILA no gane ni pierda un segundo en más de 15 mil millones de años. ^{[ 21 ]}  

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