Entre montañas en Hawái, científicos innovadores muestran una sincronización precisa en el límite cuántico.
El año pasado, los científicos subieron al volcán Mauna Loa en Hawai’i, apuntaron un láser a un reflector ubicado en el pico Haleakala en Maui y emitieron pulsos rápidos de luz láser a través de 150 kilómetros de aire turbulento.
Si bien los pulsos fueron extremadamente débiles, demostraron una capacidad buscada durante mucho tiempo por los físicos: transmitir señales de tiempo extremadamente precisas a través del aire entre ubicaciones remotas a potencias que son compatibles con futuras misiones espaciales.
La sincronización de relojes en todo el planeta con una precisión de femtosegundos podría convertirse en realidad mediante la aplicación de una técnica de peine de frecuencia láser desarrollada recientemente en el NIST. El equipo probó su técnica transmitiendo pulsos de peine de frecuencia entre montañas en dos islas en Hawái, demostrando la fidelidad necesaria para vincular relojes vía satélite incluso si la señal es muy débil. El método del equipo, que podría hacer que la sincronización de relojes distantes sea 10.000 veces más precisa de lo que podemos lograr actualmente, podría contribuir a probar la relatividad general, redefinir el segundo a un estándar óptico y futuras búsquedas de materia oscura. Crédito de la imagen: B. Hayes/NIST
Los resultados, obtenidos por un equipo que incluye a científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), podrían permitir la transferencia de tiempo desde el suelo a satélites a 36.000 kilómetros de distancia en órbita geosincrónica, donde cuelgan estacionarios sobre un punto en la superficie de la Tierra.
El método permitiría esta sincronización de tiempo con una precisión de femtosegundos, 10.000 veces mejor que los enfoques satelitales de última generación existentes.
También permitiría una sincronización exitosa utilizando la fuerza mínima de la señal de temporización, lo que haría que el sistema fuera muy robusto frente a las perturbaciones atmosféricas.
La coordinación de conjuntos de dispositivos distantes en este grado sustancialmente mayor ofrece varias posibilidades intrigantes.
Si bien los relojes atómicos ópticos de última generación son extraordinariamente precisos, la comparación de relojes que están separados por continentes y su sincronización requiere un método de señalización que pueda transmitir esa precisión a grandes distancias, y los métodos actuales basados en microondas no brindan la fidelidad necesaria.
Llevar a cabo el experimento requirió configuraciones físicas en dos puntos en Hawai’i. En sentido contrario a las agujas del reloj desde arriba a la izquierda están: el observatorio de Mauna Loa, con el edificio abovedado que usó el equipo a la derecha; los miembros del equipo conduciendo hacia Mauna Loa; el reflector colocado en Haleakala; la sala de control bajo la cúpula de Mauna Loa; y los telescopios dentro de la cúpula de Mauna Loa que se utilizaron para transmitir la luz láser. Crédito de la imagen: L. Sinclair/NIST
El nuevo enfoque podría permitir que los relojes ópticos en lados opuestos del planeta se conecten a través de un satélite geosíncrono sin tal penalización, apoyando la futura redefinición del segundo SI a un estándar óptico.
La vinculación de relojes atómicos ópticos en todo el mundo también podría conducir a una variedad de mediciones físicas fundamentales, desde la exploración de la materia oscura hasta la prueba de la relatividad general.
No todas las posibilidades requerirían relojes atómicos ópticos: la capacidad de sincronizar una matriz de sensores ampliamente separados podría avanzar en la interferometría de línea de base muy larga (VLBI) para aplicaciones como la mejora de imágenes de agujeros negros.
«Este tipo de detección coherente distribuida no tendría precedentes», dijo Laura Sinclair, física del campus de Boulder del NIST y autora del artículo de investigación del equipo, que aparece hoy en la revista. Naturaleza.
“Prevemos usar estos conjuntos de sensores para observar el espacio y la Tierra. La implementación de estas matrices depende de la conexión de relojes ópticos de alta precisión, y nuestros resultados indican que ahora tenemos una herramienta capaz de hacerlo”.
El experimento demostró que la señal de tiempo de alta frecuencia proporcionada por un reloj óptico puede ser enviada y recibida por la creación más reciente del equipo, el peine de frecuencia programable por tiempoque es una innovación en tecnología de peine de frecuencia. Fue este peine de frecuencia novedoso lo que hizo posibles los resultados, dijo Sinclair.
“La funcionalidad ampliada del peine de frecuencia programable en el tiempo nos permitió realizar estas mediciones”, dijo Sinclair. «No podríamos haber obtenido estos resultados sin él».
Un haz de luz que viaja desde la Tierra a la órbita geosincrónica necesita atravesar las capas a menudo nubladas y turbulentas de nuestra atmósfera.
Para demostrar en principio la capacidad de la señal de llegar a un satélite sin perderse en el tránsito, el equipo instaló su novedoso peine de frecuencia y un reflector en dos montañas separadas por 150 km: en lo alto del flanco de Mauna Loa y en la cima de Haleakala, ambas en Hawái.
El envío de la luz de peine de frecuencia programable en el tiempo a Haleakala y la recepción del reflejo demostraron que la señal podría penetrar muchos más problemas atmosféricos de los que encontraría viajando a la órbita geosincrónica.
El viaje de ida y vuelta no solo tuvo éxito, sino que lo hizo incluso con la mínima fuerza de señal necesaria para sincronizar dispositivos, una intensidad a la que los físicos se refieren como el «límite cuántico».
Como demostraron en su trabajo previoel peine de frecuencia programable en el tiempo de los investigadores es capaz de operar en este límite cuántico, donde menos de un fotón en mil millones alcanza su dispositivo objetivo.
Funcionó incluso cuando el láser enviaba solo 40 microvatios de potencia, o unas 30 veces menos de lo que usa un puntero láser. (Los pulsos del peine de frecuencia son luz infrarroja, invisibles a simple vista).
“Queríamos llevar el sistema al límite, y hemos demostrado que se puede mantener un alto nivel de rendimiento mientras se utiliza una potencia de transmisión y un tamaño de apertura que son realistas para los futuros sistemas de satélite”, dijo Sinclair.
“La robustez de este sistema para operar bien no solo cuando recibimos menos de una milmillonésima parte de la luz que transmitimos, sino también cuando la cantidad de luz que perdemos cambia rápidamente, es un buen augurio para formar la columna vertebral de sincronización de futuras redes de detección”.
De cara al futuro, el equipo del NIST está trabajando para reducir el tamaño, el peso y la potencia de su sistema, y adaptarlo para que funcione con plataformas móviles.
ED Caldwell, J.-D. Deschenes, J. Ellis, WC Swann, BK Stuhl, H. Bergeron, NR Newbury y LC Sinclair. Transferencia de tiempo óptico limitada cuánticamente para futuros enlaces geosíncronos. Naturaleza. Publicado en línea el 21 de junio de 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06032-5
Fuente: NIST
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