Rompiendo los límites termodinámicos: El futuro de la medición del tiempo

Un nuevo estudio revela que la precisión de los efectos cuánticos¹ es mejor de lo esperado. Este estudio llega cuando los investigadores de la TU Wien y sus colaboradores hacen uso de la metrología cuántica para el reloj atómico.

Un reloj atómico utiliza las propiedades cuánticas de los átomos para medir el tiempo con mucha más precisión que los relojes convencionales. Estos relojes más precisos del mundo son conocidos por su precisión sin precedentes al utilizar láseres para medir las vibraciones de los átomos, que oscilan a una frecuencia constante.

Pero cuando se trata de las leyes fundamentales de la física cuántica, siempre hay alguna incertidumbre, por lo que se espera una cierta cantidad de ruido estadístico y se necesita aceptarlo. Este ruido o aleatoriedad establece un límite en la precisión lograda.

Así, los relojes atómicos podrían ser aún más precisos, y si pueden medir las vibraciones atómicas con más precisión, serían lo suficientemente sensibles como para identificar fenómenos como la materia oscura y ayudar a responder preguntas como qué efecto podría tener la gravedad en el paso del tiempo.

Interesantemente, se cree que para que un reloj atómico sea más preciso, necesita más energía para lograr esa precisión.

En 2021, un experimento² informó un límite en la precisión de los relojes con la naturaleza imponiendo un costo energético fundamental para mantener el tiempo. Según la investigación, los relojes que miden el tiempo con más precisión consumen más energía que sus contrapartes menos precisas.

Con un principio clave de la termodinámica siendo que la energía siempre fluye de objetos calientes a objetos fríos, revertir este flujo (como en un refrigerador) significa que tenemos que pagar por ello en otro lugar.

Así, un reloj que requiere al menos el doble de energía para ser el doble de preciso parece ser una ley inmutable, es decir, hasta ahora.

Un equipo de científicos de la TU Wien, la Universidad de Malta y la Universidad de Tecnología de Chalmers ha demostrado que al utilizar trucos especiales, se puede aumentar la precisión exponencialmente.

El punto clave aquí es utilizar dos escalas de tiempo diferentes, al igual que un reloj estándar tiene una manecilla de minutos y una manecilla de segundos.

Cómo la física cuántica está redefiniendo el costo de entropía del tiempo

Los dispositivos físicos que operan fuera del equilibrio están influenciados por fluctuaciones térmicas (desviaciones aleatorias de un sistema de su estado promedio), lo que limita la precisión de su operación. Este problema es más notable en escalas pequeñas y cuánticas, donde necesitamos disipación de entropía para mitigarlo.

En el caso de los relojes, se requiere un flujo termodinámico hacia el equilibrio para medir el tiempo, lo que resulta en una disipación mínima de entropía por tic.

Aunque tanto los modelos clásicos como los cuánticos tienden a mostrar una asociación lineal entre precisión y disipación, la relación aún no es clara.

En la búsqueda de los relojes atómicos más precisos, que podrían posiblemente transitar a la energía nuclear en el futuro, estos costos no son la principal preocupación, pero para el control cuántico autónomo y pequeño, la relación exacta entre disipación y precisión es potencialmente una preocupación práctica.

Con eso en mente, los investigadores han presentado ahora un modelo de reloj cuántico autónomo que ha logrado una precisión que se escala exponencialmente con la disipación de entropía.

Este logro se permite mediante el transporte coherente en una cadena de espín con acoplamientos personalizados, donde la disipación de entropía se restringe a un solo enlace, dijo el estudio. Los resultados muestran que la dinámica cuántica coherente puede exceder los límites de precisión de la termodinámica tradicional, lo que podría ayudar al desarrollo de dispositivos cuánticos de baja disipación y alta precisión en el futuro.

“Hemos analizado en principio, qué relojes podrían ser teóricamente posibles.”

– Profesor Marcus Huber del Instituto Atómico de la TU Wien

Explicó que hay dos componentes que un reloj necesita. El primero es un generador de tiempo, como una oscilación cuántica o un péndulo. El segundo es un contador, que es un elemento que cuenta las unidades de tiempo que han pasado, según lo definido por el generador de tiempo base.

El generador de tiempo base siempre regresa exactamente al mismo estado, o el péndulo está exactamente donde estaba antes de completar una oscilación.

Mientras que en un reloj atómico, el átomo de cesio regresa al mismo estado que estaba antes, después de un cierto número de oscilaciones. El contador, sin embargo, debe cambiar para que el reloj sea útil.

“Esto significa que cada reloj debe estar conectado a un proceso irreversible. En el lenguaje de la termodinámica, esto significa que cada reloj aumenta la entropía en el universo; de lo contrario, no es un reloj.”

– Florian Meier de la TU Wien

En un reloj de péndulo, el péndulo genera algo de calor y desorden entre las moléculas de aire que lo rodean. En el caso de un reloj atómico, cada haz de láser que lee el estado del reloj genera calor, así como radiación y, por lo tanto, entropía. Según Marcus Huber:

“Ahora podemos considerar cuánta entropía generaría un reloj hipotético con una precisión extremadamente alta – y, en consecuencia, cuánta energía necesitaría tal reloj. Hasta ahora, parecía haber una relación lineal: si quieres mil veces la precisión, tienes que generar al menos mil veces más entropía y gastar mil veces más energía.”

Pero el equipo de la TU Wien, en colaboración con investigadores de la Universidad de Malta, la Universidad de Tecnología de Chalmers y la Academia Austríaca de Ciencias (ÖAW), ha demostrado ahora que esta llamada regla se puede evadir utilizando dos escalas de tiempo diferentes.

Por ejemplo, como compartió Meier, las partículas que se mueven de un área a otra se pueden utilizar para medir el tiempo, al igual que los granos de arena que caen de la parte superior del reloj de arena a la parte inferior.

Una serie de estos dispositivos de medición de tiempo se pueden conectar en serie, y luego se puede contar cuántos de ellos ya han pasado. Esto sería similar a cómo la manecilla más grande del reloj cuenta el número de vueltas que ha completado la manecilla más pequeña.

“De esta manera, se puede aumentar la precisión, pero no sin invertir más energía”, dijo Marcus Huber. “Porque cada vez que una manecilla del reloj completa una rotación completa y la otra manecilla se mide en una nueva ubicación – también se podría decir que cada vez que el entorno alrededor de ella nota que esta manecilla se ha movido a una nueva ubicación – la entropía aumenta. Este proceso de conteo es irreversible.”

Sin embargo, otro tipo de transporte de partículas permitido por la física cuántica es viajar a través de toda la estructura. Aquí, las partículas viajan a través del dial del reloj sin ser medidas.

Durante este proceso, la partícula, de alguna manera, está en todas partes sin una ubicación claramente definida hasta que llega al final. Es entonces que la partícula se mide, en un proceso que es irreversible y aumenta la entropía.

Así, el equipo tiene dos procesos: uno rápido que no resulta en entropía o transporte cuántico, y el otro donde las partículas llegan al final.

“La cosa crucial sobre nuestro método es que una manecilla se comporta puramente en términos de física cuántica, y solo la otra manecilla, más lenta, tiene un efecto que genera entropía.”

– Yuri Minoguchi de la TU Wien

El equipo ha demostrado que la estrategia permite un aumento significativo en la precisión con cada aumento en la entropía, por lo que se puede lograr una precisión mayor de lo que se pensaba posible.

“Lo que es más, la teoría podría probarse en el mundo real utilizando circuitos superconductores, una de las tecnologías cuánticas más avanzadas disponibles actualmente.”

– Coautor del estudio Simone Gasparinetti, quien es líder del equipo experimental en Chalmers

Huber llamó a esto un resultado crucial para la investigación de mediciones cuánticas de alta precisión, así como para la supresión de fluctuaciones no deseadas. Además, la investigación, según Huber, “nos ayuda a entender mejor uno de los grandes misterios de la física: la conexión entre la física cuántica y la termodinámica”.

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El impacto futuro de la medición del tiempo cuántico en la humanidad

Uno de los recursos más valiosos para los humanos es el tiempo, que es limitado e irreversible. El tiempo es fundamental para nuestra existencia y progreso.

Para llevar un registro de nuestro tiempo, las personas desarrollaron calendarios, y a medida que las sociedades se volvieron más complejas y tecnológicas, se hizo más importante tener una medición del tiempo precisa.

Lo que se necesita para la medición del tiempo es algo que oscile con un ritmo constante y algo que cuente esos ritmos y muestre el tiempo.

Esto llevó al desarrollo de relojes, que se volvieron más sofisticados con el tiempo con péndulos y osciladores de cuarzo.

Desde relojes de pulsera hasta relojes utilizados en satélites, la mayoría de los relojes modernos aún mantienen el tiempo utilizando un oscilador de cuarzo. Cuando se aplica una tensión al oscilador, vibra a una frecuencia precisa, que actúa como el péndulo en un reloj de péndulo, marcando el tiempo pasado.

Pero el problema era que no dos relojes eran iguales. Y con el mundo volviéndose más integrado, había una necesidad de una forma consistente y precisa de medir el tiempo. Un reloj atómico era una solución natural.

El sueño del reloj atómico comenzó en realidad hace más de un siglo, cuando los científicos James Maxwell y William Thompson propusieron la idea.

Los átomos son los bloques de construcción básicos de toda la materia. En el núcleo de los átomos se encuentra el núcleo, que consiste en protones y neutrones, rodeado de electrones, que pueden variar en número. Los electrones están dispuestos en niveles de energía distintos, viajando en órbitas circulares alrededor del núcleo.

Con los átomos absorbiendo y emitiendo ondas de luz de frecuencias específicas, los científicos razonaron que los átomos de un elemento específico son idénticos entre sí y nunca cambian, por lo que las frecuencias de luz que absorben y emiten no deberían cambiar tampoco.

Si bien la idea surgió por primera vez a finales del siglo XIX, no fue hasta mucho más tarde que se desarrolló un reloj atómico.

Como sucede, la guerra tiende a servir como un poderoso catalizador para los avances científicos y tecnológicos. Fue la guerra lo que llevó a inventos como el horno de microondas, el GPS, las computadoras y más, que hoy tienen efectos profundos en nuestra vida diaria.

El reloj atómico también llegó en un momento así. En 1939, el físico Isidor Rabi propuso que los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) (la Oficina Nacional de Estándares (NBS) en ese momento) utilizaran la técnica de resonancia magnética molecular de haz molecular recientemente desarrollada, que proporcionaba mediciones precisas de momentos magnéticos nucleares como un estándar de tiempo.

Luego midió la frecuencia a la que los átomos de cesio absorben y emiten microondas, que era de alrededor de 9.1914 mil millones de ciclos por segundo, y habló sobre ello años después, lo que fue descrito por el NYT como un “péndulo cósmico” que conecta con “frecuencias de radio en el corazón de los átomos”.

Un reloj basado en amoníaco se demostró en 1949, pero en última instancia resultó no ser más preciso que los existentes.

Con el tiempo, nuevas innovaciones tecnológicas como la bombardeada óptica; que creó señales de resonancia magnética y absorción de microondas mucho más fuertes, y la interferometría de Ramsey; que fue para la espectroscopía de haz molecular, llevaron a avances en el campo y provocaron que otros grupos científicos estudiaran lo mismo.

Para 1975, el reloj atómico de NIST era lo suficientemente preciso como para no ganar ni perder un segundo en 400,000 años, mientras que en 1993, su reloj atómico se volvió aún más preciso, sin ganar ni perder un segundo en 6 millones de años.

En 2019, la NASA desarrolló el Reloj Atómico de Espacio Profundo para ayudar a que la navegación de naves espaciales a lugares distantes como otros planetas sea más autónoma. Este último se desviará menos de un nanosegundo después de cuatro días y menos de un microsegundo después de una década, lo que equivale a estar desviado solo un segundo cada 10 millones de años.

El reloj atómico de la NASA era aproximadamente 50 veces más estable que sus contrapartes en satélites GPS, y se logró con la ayuda de átomos de mercurio.

El “valor preciso y estable” de la diferencia de energía entre órbitas “es realmente el ingrediente clave para los relojes atómicos”, dijo Eric Burt, un físico de relojes atómicos en el Laboratorio de Propulsión de Jet (JPL) en ese momento. “Es la razón por la que los relojes atómicos pueden alcanzar un nivel de rendimiento más allá de los relojes mecánicos”.

El tipo de medición del tiempo precisa que producen los relojes atómicos no es necesario para la vida diaria, pero tiene implicaciones profundas en muchas otras industrias. Los relojes atómicos han llevado en realidad a avances en metrología, comunicación, sistemas de navegación avanzados y posicionamiento basado en satélites.

Ahora, el conocimiento obtenido a través de la investigación más reciente apunta a impulsar muchos más avances. Se espera que sea extremadamente beneficioso en sectores como la inteligencia artificial (IA), la robótica y otros campos emergentes.

Por ejemplo, al alimentar detectores de ondas gravitacionales avanzados y satélites de monitoreo climático, los relojes cuánticos pueden mejorar la detección de señales de sistemas terrestres sutiles. También proporcionan referencias de tiempo más precisas que pueden permitir nuevos niveles de medición para el aumento del nivel del mar, los desplazamientos tectónicos y el mapeo subterráneo.

En el mundo de la IA, los modelos que combinan datos con sensores distribuidos para fábricas inteligentes, agricultura de precisión o comercio financiero pueden beneficiarse de relojes atómicos precisos. También puede ayudar con hardware de IA mejorado cuánticamente, donde la medición del tiempo cuántico puede estabilizar procesadores cuánticos propensos a errores utilizados para el aprendizaje automático. El control de qubit confiable, después de todo, depende de la temporización precisa y la coherencia de fase.

Desde vehículos autónomos hasta drones y robots, todos dependen de la navegación GPS y los relojes locales. Así, los relojes cuánticos muy precisos pueden permitir la navegación “denegada por GPS”. También pueden ayudar a los enjambres de robots a coordinarse mejor para tareas complejas como mapeo distribuido y búsqueda y rescate.

Las comunicaciones son otro campo que puede beneficiarse mucho de estos relojes en términos de alcance y estabilidad. Las redes inalámbricas y fotónicas futuras también se beneficiarán, ya que requieren una temporización ultra precisa para la computación de borde de baja latencia y las transferencias de dispositivos.

Invertir en la industria de medición avanzada

Honeywell International (HON ) es un líder en sistemas de medición avanzados, incluidos dispositivos de temporización de alta precisión, tecnologías de reloj atómico para la industria aeroespacial y la defensa, y incluso computación cuántica a través de Quantinuum, formada por la fusión de Cambridge Quantum y Honeywell.

La empresa opera principalmente a través de:

Tecnologías Aeroespaciales

• Suministra productos, software y servicios para aeronaves.
• Sirve a fabricantes de equipo, transporte aéreo y sectores de aviación.

Automatización Industrial

• Proporciona soluciones de automatización para operaciones inteligentes, sostenibles y seguras.
• Apunta a industrias como petroquímica y ciencias de la vida.

Automatización de Edificios

• Ofrece soluciones para garantizar instalaciones seguras y sostenibles.

Soluciones de Energía y Sostenibilidad

• Ofrece capacidades de licencia integradas con ciencia de materiales y química.

Honeywell International

Honeywell tiene una capitalización de mercado de $154.5 mil millones con sus acciones que actualmente cotizan en máximos frescos en $241, subiendo un 6.4% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 8.70 y un P/E (TTM) de 27.62, mientras que el rendimiento de dividendos ofrecido es del 1.88%.

Para el primer trimestre de 2025, la empresa informó ventas de $9.8 mil millones y ganancias por acción de $2.22. Durante este período, Honeywell utilizó $2.9 mil millones para recompras de acciones, dividendos y gastos de capital.

“Honeywell comenzó el año de manera excepcional, superando las expectativas en todas las métricas, lideradas por un crecimiento orgánico sólido. Por tercer trimestre consecutivo, entregamos crecimiento de cartera tanto secuencial como interanual, impulsado por tasas de pedido saludables y una demanda continua de nuestros productos diferenciados.”

– CEO Vimal Kapur

Conclusión

La medición del tiempo mejorada cuánticamente muestra que, con experimentos continuos, incluso los límites más fundamentales de la física pueden ser repensados. Con la investigación más reciente, a medida que avanza nuestra comprensión de la termodinámica cuántica, también lo hará nuestra capacidad para medir el tiempo con gran precisión.

Al combinar arquitecturas inteligentes y un profundo conocimiento de la entropía, los investigadores están desafiando antiguas suposiciones sobre costos energéticos y de entropía y allanando el camino para una nueva era de sistemas hiperprecisos con impactos de gran alcance en la tecnología, la infraestructura, la ciencia y el universo.

Estudios referenciados:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Precisión no limitada por la segunda ley de la termodinámica. Nat. Phys. 2025, publicación en línea anticipada. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Medir el costo termodinámico de la medición del tiempo. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029