Física cuántica para que el GPS ya no se equivoque de acera

Si alguna vez el GPS te ha intentado convencer de que estabas en la otra acera o incluso te ha situado en la calle de atrás, no te sorprendas: esta tecnología tiene una precisión aproximada de un metro. Más no le podemos pedir hasta que no sea posible comparar las lecturas de dos relojes de manera mucho más precisa de lo que la tecnología actual permite. Pero dos experimentos recientes en comparación de relojes podrían haber rozado la máxima precisión físicamente posible.

Comparar relojes abre muchas más puertas además de mejorar la precisión del GPS. Por ejemplo, los glaciares que se derriten debido al cambio climático cambian la distribución del agua en la superficie de la Tierra. Los sensores que monitorizan este movimiento actualmente detectan hacia dónde va el agua a escala casi continental.

Pero, si se pudieran comparar relojes mucho más precisamente, se podrían analizar cambios en el agua en un área de 100 kilómetros cuadrados (aproximadamente el área de Disney World). También se podrían desarrollar mejores sensores científicos para detectar desde ondas gravitacionales hasta, posiblemente, materia oscura.

Relojes atómicos en órbita

Para que funcione el GPS existe todo un despliegue de satélites que orbitan nuestro planeta. A bordo de estos satélites se encuentran unos relojes atómicos, que funcionan gracias a la física cuántica. Eso sí, para conocer nuestra posición sobre la Tierra, es crucial que estos relojes puedan comparar sus horas relativas con un alto nivel de precisión. Alto, pero no altísimo: actualmente todavía hay mucho ruido que afecta a esta tecnología.

Sin embargo, estos nuevos experimentos han encontrado una manera de aprovechar el entrelazamiento cuántico para mejorar la comparación de los relojes atómicos. En un reloj atómico, se expone a un grupo de átomos (normalmente de cesio, pero a veces de otros elementos) a dos pulsos de microondas seguidos. Estas ondas hacen que los átomos oscilen, y la frecuencia de las oscilaciones se utiliza para definir el tiempo: cuando los átomos oscilan un número determinado de veces, se dice que ha transcurrido un segundo.

Dos experimentos

Pues bien, en uno de los experimentos, se emplearon dos grupos de unos 100 000 átomos de rubidio. Cada grupo formaría un reloj, y todos los átomos se entrelazaron conjuntamente. Después del entrelazamiento, las propiedades de los átomos estaban interconectadas, de manera que no era posible describir un átomo sin conocer la descripción de los demás.

El equipo investigador sometió a todos los átomos al mismo par de pulsos de microondas, y diseñó una manera de medirlos todos a la vez. Gracias a esta medición conjunta, se pudo leer la diferencia en la evolución del tiempo en un reloj frente al otro de manera directa, y se obtuvo una precisión diez veces mayor de la que se había conseguido hasta entonces.

El otro experimento construyó cada reloj a partir de un solo átomo de estroncio. Se entrelazaron los dos átomos de manera que bastaba medir uno para deducir información sobre ambos. Así, hacían falta menos mediciones (que, en física cuántica, alteran los átomos, amenazando la precisión) para comparar las lecturas de los relojes, consiguiendo una ganancia de cuatro veces en la precisión.

Aumentando la distancia

Pero esto no quiere decir que el primer experimento sea necesariamente el ganador: en aquel, los dos relojes estaban a 20 micrones de separación, es decir, la cuarta parte del ancho de un cabello humano. Aumentar esa distancia es el próximo reto para el equipo, ya que se vuelve más difícil realizar la operación de entrelazamiento y exponer a ambos grupos de átomos a los mismos pulsos de microondas. En el segundo experimento, los relojes estaban a dos metros de distancia y, según el equipo investigador, sería fácil ampliarla.

De hecho, las aplicaciones interesantes para esta comparación ultraprecisa de relojes depende de que la distancia entre ellos pueda ser mayor. Sin poder separar los relojes cientos de metros o incluso más, no será posible mejorar los detectores de ondas gravitacionales ni monitorizar mejor los cambios en la distribución de agua en la superficie de la Tierra.

Para que mejore la precisión del GPS habrá que esperar incluso más: no se trata solo de tener mejores relojes, sino de que estos sean lo suficientemente baratos y que no requieran demasiada energía para funcionar. Si no es así, no resultará rentable montar relojes entrelazados en los satélites que orbitan la Tierra.

Aunque las tecnologías derivadas de la física cuántica podrían, en principio, revolucionar desde la química hasta la ciberseguridad, su talón de Aquiles es el ruido. Esta teoría lleva inexorablemente asociada una incertidumbre impuesta por el principio de Heisenberg. Pero, además, los aparatos que se emplean en el laboratorio para explorar su potencial aportan otra capa de ruido de la que es difícil deshacerse. Lo que muestran estos nuevos experimentos es lo difícil que resulta acercarse a los límites absolutos impuestos por la física cuántica.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Cuando dos o más átomos están entrelazados, basta medir uno para conocer, instantáneamente, propiedades de ambos. Es más, el entrelazamiento, en principio, se mantiene a cualquier distancia. Pero esto no quiere decir que sea posible comunicarse de manera instantánea entre cualesquiera dos lugares. Es imposible que la información viaje más rápido que la velocidad de la luz, y el entrelazamiento no pone en jaque este principio.

REFERENCIAS (MLA):

• Malia, Benjamin K., et al. “Distributed Quantum Sensing with Mode-Entangled Spin-Squeezed Atomic States.” Nature, 2022, https://doi.org/10.1038/s41586-022-05363-z.
• Nichol, B. C., et al. “An Elementary Quantum Network of Entangled Optical Atomic Clocks.” Nature, vol. 609, no. 7928, 2022, pp. 689–694., https://doi.org/10.1038/s41586-022-05088-z.