Los físicos descubren un método completamente nuevo para medir el tiempo
Medir el tiempo en nuestro mundo de relojes y péndulos es tan sencillo como contar los segundos entre «entonces» y «ahora».
Sin embargo, a escala cuántica, donde los electrones zumban de forma impredecible, «entonces» resulta difícil de precisar, y «ahora» a menudo se disuelve en la incertidumbre. En estos casos, un cronómetro tradicional es sencillamente ineficaz.
Una posible respuesta podría estar en la propia estructura de la neblina cuántica, como sugiere un estudio de 2022 de investigadores de la Universidad de Uppsala (Suecia).
Sus experimentos se centraron en el comportamiento ondulatorio de un fenómeno conocido como estado Rydberg, descubriendo un método único para medir el tiempo que no depende de un punto de partida preciso.
Gigantes cuánticos energizados por láseres
Los átomos de Rydberg, a menudo descritos como los «globos sobreinflados» de las partículas, se forman cuando los láseres energizan los átomos, empujando sus electrones a estados de alta energía que les hacen orbitar lejos del núcleo.
No todos los impulsos láser necesitan inflar un átomo hasta proporciones exageradas. Los láseres se utilizan habitualmente para excitar electrones a estados de mayor energía con diversos fines.
En algunos casos, un segundo láser sigue el movimiento del electrón, incluidos los cambios a lo largo del tiempo. Estos métodos de «bomba-sonda» son útiles para medir la velocidad de los procesos electrónicos ultrarrápidos, entre otras aplicaciones.
Más allá de la computación cuántica
La inducción de átomos a estados de Rydberg es una técnica valiosa para los ingenieros, sobre todo en el desarrollo de componentes avanzados para ordenadores cuánticos. A lo largo del tiempo, los físicos han acumulado amplios conocimientos sobre el comportamiento de los electrones cuando se les empuja a un estado Rydberg.
Sin embargo, estos comportamientos cuánticos se asemejan más a un caótico juego de ruleta que al movimiento ordenado de las cuentas de un ábaco, con cada tirada y salto comprimidos en un único suceso impredecible.
El marco matemático que rige esta errática «ruleta de electrones de Rydberg» se denomina paquete de ondas de Rydberg.
De forma similar a las ondas físicas, múltiples paquetes de ondas Rydberg que interactúan en un espacio crean interferencias, produciendo patrones de ondulación únicos.
Al introducir suficientes paquetes de ondas de Rydberg en un sistema atómico, estos patrones se convierten en marcadores distintivos del tiempo que tardan los paquetes de ondas en evolucionar unos respecto a otros.
Los físicos responsables de estos experimentos pretendían probar las «huellas» del tiempo, demostrando que eran lo suficientemente consistentes y fiables como para funcionar como una forma de marca de tiempo cuántica.
Los átomos de helio excitados por láser revelan marcas de tiempo cuánticas
Su trabajo consistió en analizar átomos de helio excitados por láser y comparar los resultados con las predicciones teóricas. Esto demostró que las firmas únicas de los patrones de interferencia podían representar eficazmente duraciones de tiempo.
«Cuando se utiliza un contador, normalmente hay que definir el cero: se empieza a contar desde un punto concreto», explica la física Marta Berholts, de la Universidad de Uppsala, en 2022. «La ventaja aquí es que no necesitas poner en marcha un reloj; simplemente examinas la estructura de interferencia y determinas, por ejemplo, ‘han pasado 4 nanosegundos’».
Un catálogo de patrones de paquetes de ondas Rydberg en evolución podría complementar otras técnicas de espectroscopia de sonda de bombeo, permitiendo mediciones precisas de sucesos a una escala en la que definir «ahora» y «entonces» es poco práctico.
Y lo que es más importante, estas huellas dactilares no requieren un punto de partida o de parada en el tiempo. Es como cronometrar a un velocista desconocido comparando su rendimiento con el de corredores de velocidad conocida.
Al identificar los patrones de interferencia en los estados de Rydberg dentro de una muestra de átomos de la sonda de bombeo, los investigadores pudieron marcar el tiempo de acontecimientos tan breves como 1,7 trillonésimas de segundo.
Futuros experimentos podrían ampliar la versatilidad del método utilizando otros átomos o pulsos láser de distintas energías, creando un catálogo más amplio de marcas de tiempo para diversas condiciones.
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