- Investigadores de NIST aumentaron de forma significativa la precisión del reloj iónico de aluminio y establecieron un nuevo récord de la mayor exactitud del mundo
- Lograron una exactitud 41% mayor que el récord anterior y una estabilidad 2.6 veces superior frente a otros relojes iónicos
- Mejoraron el rendimiento clave mediante tecnologías innovadoras como la espectroscopia de lógica cuántica con un par de iones de aluminio-magnesio, además de la optimización del sistema de vacío y una actualización de los láseres
- Tras décadas de investigación, ahora es posible medir 1 segundo en unidades de 10^-19, lo que contribuirá a la definición de próxima generación de la unidad de tiempo y al avance de la física cuántica
- Al reducir el tiempo de medición, también se espera su uso en campos más amplios como las ciencias de la Tierra y la investigación de nueva física más allá del Modelo Estándar
Mejoras de rendimiento y nuevo récord del reloj iónico de NIST
- El equipo de investigación del National Institute of Standards and Technology (NIST) de Estados Unidos mejoró el rendimiento de un reloj atómico basado en iones de aluminio, logrando la mayor exactitud del mundo
- Este reloj alcanzó una precisión de medición del tiempo de hasta 19 cifras decimales
- Como resultado de mejoras continuas de rendimiento realizadas durante los últimos 20 años, mostró una exactitud 41% mayor que el récord mundial anterior, junto con una estabilidad 2.6 veces superior
- Esto fue posible gracias a mejoras minuciosas en todos los componentes, incluidos láseres, trampa de iones y cámara de vacío
- Los resultados se publicaron en Physical Review Letters
Principio e innovación del reloj iónico de aluminio
- El ión de aluminio muestra una característica de “tic” muy uniforme y de alta frecuencia, lo que lo hace especialmente adecuado para medir el tiempo
- Proporciona una frecuencia más estable que el cesio, usado anteriormente para definir el segundo
- También es superior porque es menos sensible a cambios del entorno, como la temperatura o los campos magnéticos
- Sin embargo, como el aluminio es difícil de detectar y enfriar con láser, se aplicó un “sistema compañero” que usa también un ión de magnesio para compensarlo
- El magnesio puede controlarse y enfriarse bien con láser, y mediante la espectroscopia de lógica cuántica es posible observar indirectamente el estado del ión de aluminio
Factores principales de mejora del rendimiento del sistema
- El micromovimiento no deseado (Excess micromotion) en la trampa donde se almacenan los iones era una causa de pérdida de exactitud
- Mejora de la estructura de la trampa: se usó una oblea de diamante más gruesa y se optimizó el recubrimiento de oro para corregir el desequilibrio de los electrodos, con lo que se minimizó el movimiento de los iones
- La cámara de vacío también fue rediseñada con titanio en lugar de acero, reduciendo en más de 150 veces la concentración interna de hidrógeno y disminuyendo de forma importante las colisiones de iones y las interrupciones experimentales
- Gracias a estas mejoras, el ciclo de recarga se extendió drásticamente de 30 minutos a varios días
Estabilidad del láser y reducción del tiempo de medición
- Garantizar una alta estabilidad del láser fue clave para mejorar la exactitud
- Un láser extremadamente estable, fabricado en el laboratorio JILA de NIST (grupo de Jun Ye), se transmite por fibra óptica al laboratorio de relojes de NIST, ubicado a 3.6 km de distancia
- Mediante un frequency comb, se comparan las características de ambos láseres y, en última instancia, el láser del reloj adquiere la estabilidad del láser del laboratorio de Ye
- Gracias a esto, el tiempo de medición de los iones (medición del “tic”) se extendió de 150 ms a 1 segundo, lo que permitió reducir drásticamente el tiempo necesario para medir hasta la 19.ª cifra decimal, de 3 semanas a un día y medio
Contribuciones futuras y aplicaciones del reloj iónico de NIST
- Este nuevo récord de exactitud sienta las bases para futuras aplicaciones en diversos campos, como la redefinición del segundo estándar mundial, las ciencias de la Tierra y la física de precisión
- La actualización del reloj también mejoró de forma importante su capacidad como entorno experimental basado en lógica cuántica (testbed)
- Este reloj puede convertirse en una herramienta clave para la geodesia y para investigar fenómenos físicos más allá del Modelo Estándar, como posibles variaciones en las constantes naturales
- Como requiere menos tiempo, se abren oportunidades para nuevas mediciones y experimentos científicos
- En el futuro, su capacidad de medición podría aumentar de forma radical al incorporar más iones o aplicar entrelazamiento (entanglement) entre iones
Artículo de referencia
- Mason C. Marshall et al., "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, publicado en línea el 14 de julio de 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Si pones dos de estos relojes uno al lado del otro, incluso una diferencia de unos pocos centímetros de altitud (posición vertical) puede medirse por la diferencia en gravedad/dilatación temporal. Sorprende vivir en una época en la que, aunque no a este nivel directamente, puedes comprar relojes atómicos de haz de cesio por unos cuantos miles de dólares e incluso intentar construir uno con tus propias manos
Un reloj de cesio sería comparable a una resolución de desplazamiento vertical de alrededor de 1 milla (1.6 km). Lo divertido del reloj de cesio es que podrías cargar unos tres en una minivan e irte de camping con ellos
http://leapsecond.com/great2005/
Dijeron que este nivel de precisión es asombroso, y entonces me pregunto qué tan difícil y caro sería que un "laboratorio razonablemente bien equipado" construyera su propio reloj óptico. Se venden algunos relojes ópticos del tamaño de unos cuantos racks a precios bastante altos, así que me pregunto si los materiales en sí siguen siendo caros, o si todo se debe únicamente a la especialización
Esta forma de comparar relojes ultraprecisos es muy genial. Ojalá en el futuro veamos altímetros einsteinianos por todas partes
Me pregunto durante cuánto tiempo realmente es posible “medir cambios de unos pocos centímetros en la posición vertical”. No tengo claro si eso puede medirse de manera inmediata
Me pregunto hasta qué punto podría mejorar de forma realista la precisión en el futuro. Me hace imaginar si algún día llegaremos a ver, usando la gravedad, no solo fenómenos a escala cósmica sino cosas de la vida cotidiana, por ejemplo ondas gravitacionales o patrones de interferencia producidos cuando alguien pasa a tu lado
¡VAMOS BUFFS! Trabajé un tiempo en NOAA, y me encantaba haber trabajado paseando por NIST, que estaba en el mismo campus. Era un edificio increíble. Pero ahora todo el campus está en riesgo de cierre
Resumen de discusiones recientes sobre relojes atómicos.
Un nuevo reloj atómico de fuente atómica se une al grupo que “mantiene al mundo en hora” (NIST)
Los avances en relojes nucleares abren la era definitiva de la medición ultraprecisa del tiempo (NIST)
Dejé también un resumen del segundo en los comentarios del primero, pero el segundo trata sobre el desarrollo de un nuevo tipo de reloj atómico “nuclear”, basado en el núcleo atómico en lugar de los electrones. Como no menciona la precisión, me da curiosidad compararla con la de este reloj “iónico”
La mayor incertidumbre en el reloj Al+ es la dilatación temporal relativista que surge porque el ion se mueve ligeramente dentro de la trampa iónica. El reloj de 229Th (torio) también estaría sujeto al mismo efecto, pero imagino que una mayor masa atómica podría ayudar a suprimirlo
Desde el punto de vista de alguien no experto, surge la duda de si para medir la precisión de un reloj no hace falta uno aún más preciso. Me pregunto cómo se mide la precisión del reloj más preciso del mundo
Me pregunto cómo se mide la precisión de un reloj. Si todos los relojes tienen pequeños errores, ¿no estarían todos equivocados?
La exactitud de un reloj se define, y luego se mide la precisión. Si construyes dos relojes y mides cuánto se desvían entre sí, puedes conocer la precisión.
Si los dos relojes están en ubicaciones distintas, también se pueden hacer experimentos interesantes con la dilatación temporal medible, por ejemplo:
Es la clásica pregunta divertida que siempre sale cuando se habla de relojes de precisión.
Se fabrican dos o más relojes idénticos y se usan al mismo tiempo ajustados a la misma hora. Si fueran perfectos, no habría diferencia con el paso del tiempo, pero en la práctica empiezan a desviarse gradualmente (hay tanto sesgos sistemáticos como sesgos aleatorios).
Al observar esa diferencia, se ve que el error del reloj se dispersa como una especie de “caminata aleatoria”. Si haces experimentos con varios relojes, la varianza del error muestra cuál es mejor.
Incluso sin un estándar absolutamente perfecto, comparar dos relojes permite medir la aleatoriedad
Desde 1967 existe una definición física del segundo
https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition
En la práctica, no se mide la “exactitud” del reloj sino la “magnitud del ruido”. La fuente del reloj en sí no cambia físicamente, pero se mezcla ruido.
Por ejemplo, campos magnéticos muy débiles o cambios de temperatura también pueden alterar la velocidad del reloj, así que hay que aislarlos/controlarlos al máximo. Los efectos que quedan se corrigen por cálculo, y ese valor es precisamente la exactitud.
Si quieres medirlo directamente, también puedes sincronizar dos relojes idénticos y compararlos después de un tiempo (teniendo en cuenta también los efectos de la relatividad)
El tiempo se define con base en fenómenos físicos invariantes.
Por ejemplo, como todos los electrones son perfectamente idénticos, se pueden usar esas propiedades para crear un estándar de tiempo preciso
Me confunde si esto es realmente un “reloj” o si, como en un codificador de posición, en realidad es solo una “señal de reloj”. Es decir, me pregunto si solo cumple el papel de “valor absoluto” dentro de cierto rango
Los relojes atómicos ópticos basados en un solo ion atrapado, o en redes de átomos neutros, no generan por sí mismos una señal de reloj continua.
En cambio, necesitan un láser (haz de frecuencia,
frequency comb). Este divide una señal óptica de cientos de THz en señales electrónicas de MHz~GHz.Para lograr una continuidad total como reloj de señal para representación real del tiempo, hacen falta varios relojes ópticos (actualmente, tanto con iones como con átomos neutros, se pierden los átomos con frecuencia y hay que reiniciar a menudo).
La señal continua la aporta el láser. Ese láser funciona en infrarrojo basado en vidrio dopado con erbio o iterbio, y está ajustado a la frecuencia de resonancia del ion.
En intervalos cortos es difícil filtrar el ruido, así que la estabilidad de frecuencia depende de la calidad del resonador de silicio (refrigeración a temperaturas muy bajas, transmisión infrarroja y otras condiciones de calidad).
Como la señal de reloj de una computadora, a largo plazo está al nivel de sincronización externa como NTP, y a corto plazo al nivel de un oscilador interno de cuarzo.
Este reloj óptico iónico tiene la menor incertidumbre de frecuencia de referencia jamás lograda. Pero como usa un solo ion atrapado, tiene más ruido a corto plazo que los sistemas de red de átomos neutros (que aprovechan miles de átomos).
Por eso, para que la señal de salida alcance la exactitud declarada, debe promediarse durante mucho tiempo (al menos varios días).
La exactitud a corto plazo (1 segundo) es aproximadamente mil veces mejor que la de los mejores relojes de microondas actuales de cesio e hidrógeno, y con solo promediar ya alcanza el rendimiento de los relojes de microondas anteriores
Me pregunto si realmente existe un estándar absoluto de tiempo, aparte de un origen cósmico como el Big Bang
La señal de reloj puede acumularse y contarse por completo, y a largo plazo es muy precisa. En concepto, igual que un codificador rotatorio, se podría acumular incluso un conteo de billones de señales (solo que normalmente con los codificadores casi nunca se hace ese tipo de conteo)
Me encanta la descripción de “el mejor reloj” hecho de diamante y oro. Suena como algo de Minecraft
El artículo tiene muchas imágenes interesantes, como fotos del dispositivo. Está claro que el aluminio es superior al cesio, pero también es más difícil de manejar, y parece que ahora se resolvieron los obstáculos que impedían que se convirtiera en el estándar
Preprint
https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")
Si quieres acceso autenticado al servidor NTP de NIST, tienes que enviar una carta por correo postal de EE. UU. o por FAX obligatoriamente (no se permite correo electrónico).
NIST también responde con la información de clave únicamente por correo postal (el uso de email está absolutamente prohibido).
Como el departamento que normalmente recibe correo y FAX tiene actualmente acceso restringido, puede haber retrasos considerables en el procesamiento de solicitudes
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
(me enteré de esto al implementar FedRAMP)
Me pregunto si NIST considerará adoptar NTS (Network Time Security)
https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main
Me pregunto si a quienes viven en el extranjero también se les permite usar FAX. Para usuarios fuera de EE. UU., este proceso se siente un poco engorroso