El colombiano que “juega” con el tiempo en los relojes atómicos
El físico colombiano Edwin Eduardo Pedrozo Peñafiel trabaja en el MIT y en el centro del MIT-Harvard para átomos ultrafríos, estudiando cómo la humanidad podría medir con más precisión el tiempo.
Durante siglos, la humanidad se ha obsesionado con medir el tiempo. Primero, y con ayuda del cielo, definió que un día es lo que tarda el Sol en “salir” y “esconderse” por el horizonte. Luego, con la ayuda de la ciencia, supo que ese lapso es en realidad lo que le toma a la Tierra dar un giro de 360 grados sobre su eje. Hoy nos valemos de relojes y de aparatos más sofisticados para saber con gran certeza la hora en la que estamos. Pero, ¿es posible medir ese tiempo con más exactitud?
Esa es la pregunta que ha guiado al físico colombiano Edwin Eduardo Pedrozo Peñafiel, ganador del Premio Alejandro Ángel Escobar 2022 en Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, uno de los más importantes del país. El tiempo, anota, es en realidad una arbitrariedad. Así como un día es una rotación de la Tierra de 360 grados, podría también no ser una, sino dos. ¿Se imagina un día de 48 horas? Lo importante, dice, es que sabemos que la Tierra da un giro de 360 grados.
“Para medir el tiempo, lo importante es que haya un movimiento periódico que nos dé una regularidad”, afirma Pedrozo. Ese movimiento puede ser el de un péndulo, el de la Tierra rotando sobre su eje, o algo mucho más pequeño como el interior de un átomo, que es lo que usan ahora los científicos de todo el mundo para definir el tiempo.
A diferencia, por ejemplo, de la Tierra, que está desacelerando su rotación (lo que modificaría el tiempo si lo siguiéramos definiendo a partir del día o la noche), el átomo es una partícula cuyas propiedades no se modifican. En 1968, la comunidad científica acordó que la duración de un segundo son las casi 9.200 millones de oscilaciones (9.192’631.770, para ser exactos) de un átomo de cesio (metal alcalino) en ciertas condiciones.
Esas condiciones son propiciadas por los relojes atómicos, unos aparatos creados en 1949 que manipulan los átomos. Imagine un péndulo y su movimiento oscilatorio. Así, de manera similar, un átomo oscila en un reloj atómico entre dos estados de energía. Esto ha llevado a tener una asombrosa precisión. Para ejemplificarlo, basta decir que si, hipotéticamente, existiera un reloj de este tipo desde el comienzo del universo, hace 13.800 millones de años, hoy el error sería de una fracción de segundo.
Pero aun habría error, lo que ha obligado a los científicos a buscar caminos para enmendarlo. Es en eso en lo que ha trabajado Pedrozo.
Observando al átomo
Imagine que tira una moneda al aire. Hay 50 % de probabilidad de que al caer quede en cara y 50 % de probabilidad de que sea sello. Si usted la sigue lanzando, una y otra vez, se va a dar cuenta de dos cosas: cada moneda tiene un movimiento particular en el aire, distinto a cualquier otro, y esos porcentajes (5050) no permanecen siempre así. Existe la oportunidad de estimar si, después de cierto tiempo, es más probable que caiga sello o que caiga cara, pero para eso hay que lanzar la moneda muchas veces.
Ahora imagine un átomo como si fuera esa moneda: al igual que ella, se va a comportar (a oscilar) de manera particular. Lo que hacen los relojes atómicos ordinarios es observar el comportamiento individual de miles de átomos para luego estimar un dato general. El problema con esto, explica Pedrozo, es que la cifra colectiva puede ser diferente al dato real de cada átomo. Esto es lo que en la estadística llaman desviación estándar: la cifra global puede ser engañosa respecto al comportamiento individual.
Para arrojar luz sobre esa desviación, Pedrozo y un equipo de físicos del MIT y de la Universidad de Harvard utilizaron algo que se llama el entrelazamiento cuántico.
En términos simples, el entrelazamiento cuántico señala que dos partículas pueden estar enlazadas una a la otra sin importar lo lejos que estén entre sí, compartiendo propiedades. Luis Quiroga Puello profesor de la U. Nacional, PhD en física de sólidos de la U. Pierre et Marie Curie y profesor emérito de la U. de los Andes, intentó explicar este fenómeno a El Espectador. Hay un concepto que, a ojos de Quiroga, vale la pena tener claro para comprender el entrelazamiento cuántico: el del llamado “principio de superposición”.
Lo que sugiere ese principio es que un objeto cuántico (es decir, un electrón, un átomo o una molécula) puede encontrarse en dos estados a la vez. El siguiente paso es imaginarse lo siguiente: que existan dos objetos cuánticos que comparten información en los que también exista la superposición.
Pedrozo y el resto de físicos del MIT y Harvard implementaron el entrelazamiento cuántico en un reloj atómico, cuyo protocolo de ejecución salió publicado en la revista Nature en 2020. A diferencia del reloj atómico ordinario, el de Pedrozo no tiene que analizar miles de átomos: solo observando uno puede conocer el comportamiento exacto de los otros.
“Significa que, si conozco el estado de un átomo, puedo conocer el estado cuántico de muchos más que están correlacionados cuánticamente con el átomo que medimos. Solo midiendo uno se puede revelar mucho más del sistema y me da una estadística más precisa”, apunta Pedrozo. Él y sus colegas entrelazaron alrededor de 350 átomos, y eso les permitió medir la frecuencia de oscilación con una mayor precisión. “La implementación de nuestro nuevo protocolo cuántico en relojes atómicos de última generación usando átomos entrelazados cuánticamente -finaliza el físico- tendrá un impacto en la medición del tiempo”.