Determinar el paso del tiempo en nuestro mundo de relojes que hacen tictac y péndulos oscilantes es un simple caso de contar los segundos entre “entonces” y “ahora”. Sin embargo, a escala cuántica, en el zumbido de los electrones, no siempre se puede anticipar el “entonces”. Peor aún, el “ahora” a menudo se difumina en una neblina de vaguedad. Un cronómetro simplemente no funciona en algunos escenarios. Una posible solución podría encontrarse en la propia forma de la niebla cuántica, según un estudio de 2022 realizado por investigadores de la Universidad de Uppsala en Suecia.
Ve el vídeo a continuación para ver un resumen de sus resultados:
Sus experimentos sobre la naturaleza ondulatoria de algo llamado estado de Rydberg revelaron una nueva forma de medir el tiempo que no requiere un punto de partida preciso. Los átomos de Rydberg son los globos inflados del reino de las partículas. Inflados con láseres en lugar de aire, estos átomos contienen electrones en estados de energía extremadamente alta, orbitando lejos del núcleo.
Por supuesto, no todas las bombas láser necesitan inflar un átomo hasta alcanzar proporciones exageradas. De hecho, los láseres se utilizan rutinariamente para impulsar electrones a estados de mayor energía para diversos usos.
En algunas aplicaciones, se puede utilizar un segundo láser para monitorizar los cambios en la posición del electrón, incluido el paso del tiempo. Estas técnicas de “bombeo-sonda” pueden emplearse para medir la velocidad de ciertos dispositivos electrónicos ultrarrápidos, por ejemplo.
Inducir átomos a estados de Rydberg es un truco práctico para los ingenieros, sobre todo a la hora de diseñar nuevos componentes para ordenadores cuánticos. Huelga decir que los físicos han acumulado una cantidad considerable de información sobre cómo se mueven los electrones al ser empujados a un estado de Rydberg.
Sin embargo, al ser animales cuánticos, sus movimientos se parecen menos a cuentas deslizándose en un pequeño ábaco y más a una velada en la mesa de la ruleta, donde cada giro y salto de la bola se comprime en un único juego de azar. El libro de reglas matemáticas detrás de este juego salvaje de la ruleta electrónica de Rydberg se conoce como paquete de ondas de Rydberg.
Al igual que las ondas reales, tener más de un paquete de ondas de Rydberg ondulando en el espacio crea interferencias, lo que da como resultado patrones únicos de ondas. Si se lanzan suficientes paquetes de ondas de Rydberg al mismo estanque atómico, esos patrones únicos representarán cada uno el tiempo distinto que tarda cada paquete de ondas en evolucionar de acuerdo con los demás.
Fueron estas mismas “huellas” del tiempo las que los físicos detrás de este conjunto de experimentos se propusieron probar, demostrando que eran consistentes y lo suficientemente confiables para servir como una forma de marcado temporal cuántico. Su investigación implicó medir los resultados de átomos de helio excitados por láser y comparar sus hallazgos con predicciones teóricas para mostrar cómo sus resultados característicos podrían mantenerse durante un período de tiempo.
“Si usas un contador, tienes que definir el cero. Empiezas a contar en algún momento”, explicó la física Marta Berholts, de la Universidad de Uppsala (Suecia), quien dirigió el equipo, a New Scientist en 2022.
“La ventaja de esto es que no es necesario poner en marcha el reloj; basta con observar la estructura de interferencia y decir: ‘Bueno, han pasado 4 nanosegundos'”.
Se podría utilizar una guía de paquetes de ondas de Rydberg en evolución en combinación con otras formas de espectroscopia de bombeo-sonda que miden eventos en una escala minúscula, cuando de vez en cuando son menos claros o simplemente demasiado incómodos de medir. Es importante destacar que ninguna de las huellas dactilares requiere un antes y un después como punto de partida y de llegada del tiempo. Sería como comparar la carrera de un velocista desconocido con la de varios competidores que corren a velocidades fijas.
Al buscar la firma de los estados de Rydberg interferentes en medio de una muestra de átomos de bombeo-sonda, los técnicos podrían observar una marca de tiempo para eventos tan fugaces como sólo 1,7 billonésimas de segundo. Los futuros experimentos de observación cuántica podrían sustituir el helio por otros átomos, o incluso utilizar pulsos láser de diferentes energías, para ampliar la guía de marcas de tiempo y adaptarla a un rango más amplio de condiciones.
Esta investigación fue publicada en Physical Review Research.
Nota de la fuente: Una versión anterior de este artículo se publicó en octubre de 2022.
Fuente: Science Alert.