Reloj atómico

El conjunto maestro de relojes atómicos del Observatorio Naval de los Estados Unidos en Washington, D.C. , que proporciona el estándar de tiempo para el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. ^{[ 1 ]} Las unidades montadas en bastidor en el fondo son relojes de haz de cesio HP 5071A. Las unidades negras en primer plano son estándares máser de hidrógeno Sigma-Tau MHM-2010.

Un reloj atómico es un reloj que mide el tiempo monitorizando la frecuencia de resonancia de los átomos. Se basa en el hecho de que los átomos tienen niveles de energía cuantizados , y las transiciones entre dichos niveles son impulsadas por frecuencias muy específicas de radiación electromagnética . Este fenómeno sirve de base para la definición del segundo en el SI .

El segundo, el símbolo s, es la unidad de tiempo del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio, $\Delta \nu _ {\text{Cs}}$ , la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, para ser9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s ⁻¹ .

Esta definición sustenta el sistema TAI , que se mantiene mediante un conjunto de relojes atómicos en todo el mundo. El sistema UTC —la base del tiempo civil— implementa segundos intercalares para permitir que la hora del reloj se mantenga dentro de un segundo de la rotación de la Tierra .

La precisión horaria de los relojes atómicos también se utiliza para la navegación en redes satelitales como el Programa Galileo de la UE y el GPS de Estados Unidos . La precisión horaria de los relojes atómicos es importante porque incluso un error de sincronización de 1 nanosegundo (10⁻⁹ ^s ) corresponde a un error de posición de aproximadamente 30 cm cuando se multiplica por la velocidad de la luz .

La principal variedad de reloj atómico que se utiliza hoy en día emplea átomos (o iones) de cesio enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto . Por ejemplo, el patrón primario de Estados Unidos, el reloj de fuente de cesio del NIST denominado NIST-F2 , funciona con una incertidumbre relativa de alrededor de ^10⁻¹⁶ . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

avances recientes

En julio de 2025, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos informaron sobre un reloj atómico óptico que batió récords, basado en un ion de aluminio atrapado. Este reloj de "lógica cuántica" alcanza una incertidumbre sistemática equivalente a aproximadamente 19 decimales de precisión, lo que representa una mejora del 41 % con respecto al récord anterior y es 2,6 veces más estable que cualquier otro reloj de iones. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Redefinición del segundo

La rápida mejora en el rendimiento de los relojes atómicos ópticos ha impulsado a la comunidad mundial de tiempo y frecuencia a prepararse para una posible redefinición del segundo del SI. ^{[ 6 ]} En junio de 2025, se informó de una comparación internacional coordinada de relojes ópticos en seis países, lo que marcó un paso importante hacia el establecimiento de un estándar global de tiempo óptico. ^{[ 7 ]}

Impacto tecnológico

Los relojes atómicos ópticos están posibilitando nuevas aplicaciones: difusión ultraprecisa de tiempo y frecuencia, sistemas globales de navegación por satélite mejorados, geodesia relativista (medición de diferencias en el potencial gravitatorio a través de las frecuencias de los relojes) y pruebas de constantes fundamentales y relatividad general. ^{[ 8 ]}

Historia

El físico escocés James Clerk Maxwell propuso medir el tiempo con las vibraciones de las ondas de luz en su Tratado sobre electricidad y magnetismo de 1873: «Una unidad de tiempo más universal podría hallarse tomando el tiempo periódico de vibración del tipo particular de luz cuya longitud de onda es la unidad de longitud». ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Maxwell argumentó que esto sería más preciso que la rotación de la Tierra , que define el segundo solar medio para la medición del tiempo. ^{[ 11 ]}

Durante la década de 1930, el físico estadounidense Isidor Isaac Rabi construyó equipos para relojes de frecuencia de resonancia magnética de haces atómicos . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

La precisión de los relojes mecánicos, electromecánicos y de cuarzo se ve reducida por las fluctuaciones de temperatura. Esto dio lugar a la idea de medir la frecuencia de las vibraciones de un átomo para mantener el tiempo con mayor precisión, como propusieron James Clerk Maxwell, Lord Kelvin e Isidor Rabi. ^{[ 14 ]} En 1949 se desarrolló un prototipo que medía las transiciones de fase de la molécula de amoníaco. ^{[ 15 ]} El primer reloj atómico práctico que utilizaba átomos de cesio fue construido en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido en 1955 ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]} por Louis Essen en colaboración con Jack Parry. ^{[ 18 ]}

En 1949, Alfred Kastler y Jean Brossel ^{[ 20 ]} desarrollaron una técnica llamada bombeo óptico para transiciones de niveles de energía de electrones en átomos mediante luz. Esta técnica es útil para generar señales de resonancia magnética y absorción de microondas mucho más intensas. Desafortunadamente, esto provocó un efecto secundario: un desplazamiento de la frecuencia de resonancia inducido por la luz. Claude Cohen-Tannoudji y otros lograron reducir estos desplazamientos a niveles aceptables.

Ramsey desarrolló un método, ahora conocido comúnmente como interferometría de Ramsey , para frecuencias más altas y resonancias más estrechas en los campos oscilantes. Kolsky, Phipps, Ramsey y Silsbee utilizaron esta técnica para la espectroscopia de haces moleculares en 1950. ^{[ 21 ]}

Después de 1956, los relojes atómicos fueron estudiados por muchos grupos, como el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, anteriormente Oficina Nacional de Estándares) en los EE. UU., el Instituto Federal de Física y Tecnología (PTB) en Alemania, el Consejo Nacional de Investigación (NRC) en Canadá, el Laboratorio Nacional de Física en el Reino Unido, la Oficina Internacional del Tiempo ( en francés : Bureau International de l'Heure , abreviado BIH), en el Observatorio de París , la National Radio Company , Bomac, Varian , Hewlett-Packard y Frequency & Time Systems. ^{[ 22 ]}

Durante la década de 1950, la National Radio Company vendió más de 50 unidades del primer reloj atómico, el Atomichron . ^{[ 23 ]} En 1964, los ingenieros de Hewlett-Packard lanzaron el modelo 5060 de relojes de cesio para montaje en rack. ^{[ 14 ]}

Definición del segundo

En 1968, el SI definió la duración del segundo como9 192 631 770 vibraciones de la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133. Antes de eso, se definía por la existencia de31 556 925 .9747 segundos en el año tropical 1900. ^{[ 24 ]} En 1997, el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) agregó que la definición anterior se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de cero absoluto . ^{[ 25 ]}^{: 113} Tras la revisión de 2019 del SI , la definición de cada unidad base excepto el mol y casi todas las unidades derivadas se basan en la definición del segundo.

Los investigadores de cronometraje buscan una referencia atómica aún más estable para el segundo, con el objetivo de encontrar una definición más precisa del segundo a medida que los relojes atómicos mejoren basándose en relojes ópticos o en la constante de Rydberg alrededor del año 2030. ^{[ 26 ]}^{[ 27 ]}

Avances en metrología y relojes ópticos

Los avances tecnológicos, como los láseres y los peines de frecuencia óptica en la década de 1990, permitieron aumentar la precisión de los relojes atómicos. ^{[ 28 ]}^{[ 29 ]} Los láseres posibilitan el control del rango óptico sobre las transiciones de estados atómicos, que tienen una frecuencia mucho mayor que la de las microondas; mientras que el peine de frecuencia óptica mide con gran precisión dicha oscilación de alta frecuencia en la luz.

El primer avance más allá de la precisión de los relojes de cesio se produjo en el NIST en 2010 con la demostración de un reloj óptico de "lógica cuántica" que utilizaba iones de aluminio para lograr una precisión de10 ⁻¹⁷ . ^{[ 30 ]} Los relojes ópticos son un área de investigación muy activa en el campo de la metrología, ya que los científicos trabajan para desarrollar relojes basados en los elementos iterbio , mercurio , aluminio y estroncio . Científicos de JILA demostraron un reloj de estroncio con una precisión de frecuencia de10 ⁻¹⁸ en 2015. ^{[ 31 ]} Científicos del NIST desarrollaron un reloj lógico cuántico que midió un solo ion de aluminio en 2019 con una incertidumbre de frecuencia de9,4 × 10 ⁻¹⁹ . ^{[ 32 ]}^{[ 33 ]}

En JILA, en septiembre de 2021, los científicos demostraron un reloj óptico de estroncio con una precisión de frecuencia diferencial de7,6 × 10 ⁻²¹ entre conjuntos atómicos separados por1 mm . ^{[ 34 ]}^{[ 35 ]} Se espera que el segundo se redefina cuando el campo de los relojes ópticos madure, alrededor del año 2030 o 2034. ^{[ 36 ]} Para que esto ocurra, los relojes ópticos deben ser capaces de medir la frecuencia de forma consistente con una precisión igual o mejor que2 × 10 ⁻¹⁸ . Además, deben demostrarse métodos para comparar de forma fiable diferentes relojes ópticos en todo el mundo en laboratorios nacionales de metrología , y la comparación debe mostrar precisiones relativas de la frecuencia del reloj iguales o mejores que5 × 10 ⁻¹⁸ .

Relojes atómicos a escala de chip

Reducir el tamaño y el consumo de energía de los relojes ópticos es necesario para permitir su uso en geodesia y navegación GPS. En agosto de 2004, científicos del NIST demostraron un reloj atómico a escala de chip que era 100 veces más pequeño que un reloj atómico ordinario y tenía un consumo de energía mucho menor.125 mW . ^{[ 37 ]}^{[ 38 ]} El reloj atómico tenía aproximadamente el tamaño de un grano de arroz con una frecuencia de aproximadamente 9 GHz. Esta tecnología estuvo disponible comercialmente en 2011. ^{[ 37 ]}

Medición del tiempo con relojes atómicos

Mecanismo de reloj

Un reloj atómico se basa en un sistema de átomos que pueden encontrarse en uno de dos estados de energía posibles. Un grupo de átomos se prepara en un estado de energía inferior y luego se somete a radiación de microondas . Si la radiación tiene la frecuencia correcta, varios átomos transitarán al estado de energía superior . Cuanto más se acerque la frecuencia a la frecuencia de oscilación inherente de los átomos, mayor será el número de átomos que cambien de estado. Esta correlación permite un ajuste muy preciso de la frecuencia de la radiación de microondas. Una vez que la radiación de microondas se ajusta a una frecuencia conocida donde el número máximo de átomos cambia de estado, el átomo, y por lo tanto su frecuencia de transición asociada, puede utilizarse como oscilador para medir el tiempo transcurrido. ^{[ 39 ]}

Todos los dispositivos de cronometraje utilizan fenómenos oscilatorios para medir el tiempo con precisión, ya sea la rotación de la Tierra en un reloj de sol , el péndulo de un reloj de pie , las vibraciones de los resortes y engranajes de un reloj de pulsera o las variaciones de voltaje en un reloj de cuarzo . Sin embargo, todos estos sistemas se ven fácilmente afectados por los cambios de temperatura y no son muy precisos. Los relojes más precisos utilizan vibraciones atómicas para medir el tiempo. Los estados de transición de los relojes en los átomos son insensibles a la temperatura y otros factores ambientales, y su frecuencia de oscilación es mucho mayor que la de cualquier otro reloj (en el rango de frecuencias de microondas y superiores).

Uno de los factores más importantes en el rendimiento de un reloj es el factor de calidad de la línea atómica, $Q$ , que se define como la relación de la frecuencia absoluta. $\nu _{0}$ de la resonancia al ancho de línea de la propia resonancia $\Delta \nu$ $La resonancia atómica tiene un factor Q$ mucho mayor que los dispositivos mecánicos. Los relojes atómicos también pueden aislarse de los efectos ambientales en mayor medida. Una ventaja de los relojes atómicos es que los átomos son universales, lo que implica que la frecuencia de oscilación también lo es. Esto los diferencia de los relojes de cuarzo y los dispositivos mecánicos de medición del tiempo, que no tienen una frecuencia universal.

La calidad de un reloj se puede especificar mediante dos parámetros: exactitud y estabilidad. La exactitud mide hasta qué punto se puede confiar en que la frecuencia de tictac del reloj coincida con algún estándar absoluto, como la frecuencia hiperfina inherente de un átomo o ion aislado. La estabilidad describe el rendimiento del reloj en promedio a lo largo del tiempo para reducir el impacto del ruido y otras fluctuaciones a corto plazo (véase precisión ). ^{[ 40 ]}

La inestabilidad de un reloj atómico se especifica mediante su desviación de Allan. $\sigma _ {y}(\tau)$ . ^{[ 41 ]} La inestabilidad límite debida a las estadísticas de conteo de átomos o iones viene dada por

\sigma _{y,\,{\rm {átomos}}}(\tau )\approx {\frac {\Delta \nu }{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}},

dónde $\Delta \nu$ es el ancho de línea espectroscópico del sistema de reloj, $N$ es el número de átomos o iones utilizados en una sola medición, $T_{\text{c}}$ es el tiempo requerido para un ciclo, y $\tau$ es el período de promediado. Esto significa que la inestabilidad es menor cuando el ancho de línea $\Delta \nu$ es más pequeño y cuando ${\sqrt {N}}$ (la relación señal/ruido ) es mayor. La estabilidad mejora a medida que pasa el tiempo. $\tau$ El tiempo durante el cual se promedian las mediciones aumenta de segundos a horas a días. La estabilidad se ve afectada principalmente por la frecuencia del oscilador. $\nu _{0}$ Por eso, los relojes ópticos, como los de estroncio (429 terahercios), son mucho más estables que los de cesio (9,19 GHz).

Se ha descubierto que los relojes modernos, como las fuentes atómicas o las redes ópticas que utilizan interrogación secuencial, generan un tipo de ruido que imita y aumenta la inestabilidad inherente al conteo de átomos o iones. Este efecto se denomina efecto Dick ^{[ 42 ]} y suele ser la principal limitación de estabilidad para los relojes atómicos más recientes. Se trata de un efecto de aliasing; los componentes de ruido de alta frecuencia en el oscilador local ("LO") se heterodinan a una frecuencia cercana a cero mediante armónicos de la variación repetitiva en la sensibilidad de retroalimentación a la frecuencia del LO. Este efecto impone requisitos nuevos y estrictos al LO, que ahora debe tener un bajo ruido de fase además de una alta estabilidad, lo que aumenta el costo y la complejidad del sistema. Para el caso de un LO con ruido de frecuencia de parpadeo ^{[ 43 ]} donde $\sigma _{y}^{\rm {LO}}(\tau )$ es independiente de $\tau$ , el tiempo de interrogatorio es $T_{i}$ y donde el factor de servicio $d=T_{i}/T_{c}$ tiene valores típicos $0.4<d<0.7$ , la desviación de Allan se puede aproximar como ^{[ 44 ]}

\sigma _{y,\,{\rm {Dick}}}(\tau )\approx {\frac {\sigma _{y}^{\rm {LO}}}{\sqrt {2\ln(2)}}}\cdot \left|{\frac {\sin(\pi d)}{\pi d}}\right|\cdot {\sqrt {\frac {T_{c}}{\tau }}}.

Esta expresión muestra la misma dependencia de $T_{c}/{\tau }$ como lo hace $\sigma _{y,\,{\rm {átomos}}}(\tau )$ y, para muchos de los relojes más nuevos, es significativamente mayor. El análisis del efecto y sus consecuencias aplicado a los estándares ópticos se ha tratado en una revisión importante (Ludlow, et al., 2015) ^{[ 45 ]} que lamentaba "la influencia perniciosa del efecto Dick", y en varios otros artículos. ^{[ 46 ]}^{[ 47 ]}

Ajuste y optimización

El núcleo de los relojes atómicos contiene una cavidad de microondas con un gas. En un reloj máser de hidrógeno , el gas emite microondas ( efecto máser ) mediante una transición hiperfina. A medida que el campo en la cavidad oscila, esta se ajusta para obtener la máxima amplitud de microondas.

El ajuste intenta corregir los efectos secundarios no deseados, como las frecuencias de otras transiciones electrónicas, los cambios de temperatura y la dispersión de frecuencias causada por la vibración de las moléculas, incluido el ensanchamiento Doppler . ^{[ 48 ]}

Muchos de los relojes más recientes, incluidos los relojes de microondas como los de iones atrapados o de fuente, y los relojes ópticos como los de red, utilizan un protocolo de interrogación secuencial en lugar de la interrogación por modulación de frecuencia. ^{[ 45 ]} Una ventaja de la interrogación secuencial es que puede admitir valores de Q mucho más altos, con tiempos de oscilación de segundos en lugar de milisegundos. Estos relojes también suelen tener un tiempo muerto , durante el cual las colecciones de átomos o iones se analizan, renuevan y se llevan a un estado cuántico adecuado, después de lo cual se interrogan con una señal de un oscilador local (LO) durante un tiempo de quizás un segundo. El análisis del estado final de los átomos se utiliza luego para generar una señal de corrección para mantener la frecuencia del LO bloqueada con la de los átomos o iones.

Exactitud

La precisión de los relojes atómicos ha mejorado continuamente desde el primer prototipo en la década de 1950. La primera generación de relojes atómicos se basó en la medición de átomos de cesio, rubidio e hidrógeno. En un período de tiempo comprendido entre 1959 y 1998, el NIST desarrolló una serie de siete relojes de microondas de cesio-133 denominados NBS-1 a NBS-6 y NIST-7 después de que la agencia cambiara su nombre de Oficina Nacional de Estándares a Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. ^{[ 14 ]} El primer reloj tenía una precisión de10 ⁻¹¹ , y el último reloj tenía una precisión de10 ⁻¹⁵ . Los relojes fueron los primeros en utilizar una fuente de cesio , que fue introducida por Jerrod Zacharias , y enfriamiento láser de átomos, que fue demostrado por Dave Wineland y sus colegas en 1978.

El siguiente paso en los avances de los relojes atómicos implica pasar de precisiones de10 ⁻¹⁵ a precisiones de10 ⁻¹⁸ e incluso10 ⁻¹⁹ . ^{[ a ]} El objetivo es redefinir el segundo cuando los relojes sean tan precisos que no pierdan ni ganen más de un segundo en la edad del universo . ^{[ b ]} Para ello, los científicos deben demostrar la precisión de los relojes que utilizan estroncio e iterbio y tecnología de red óptica . Estos relojes también se denominan relojes ópticos, donde las transiciones de nivel de energía utilizadas se encuentran en el régimen óptico (lo que da lugar a una frecuencia de oscilación aún mayor), que, por lo tanto, tienen una precisión mucho mayor en comparación con los relojes atómicos tradicionales. ^{[ 50 ]}

El objetivo de un reloj atómico con^{La precisión de 10⁻¹⁶} se alcanzó por primera vez en el reloj de fuente de cesio NPL-CsF2 del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido ^[⁵¹^]^[⁵²^]^[⁵³^] y en el NIST-F2 de Estados Unidos . ^[⁵⁴^]^[⁵⁵^] El aumento de precisión del NIST-F1 al NIST-F2 se debe al enfriamiento con nitrógeno líquido de la región de interacción de microondas; la mayor fuente de incertidumbre en el NIST-F1 es el efecto de la radiación de cuerpo negro de las paredes calientes de la cámara. ^[⁵⁶^]^[³^]

Se evalúa el rendimiento de los patrones de frecuencia primarios y secundarios que contribuyen al Tiempo Atómico Internacional (TAI). La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) publica en línea los informes de evaluación de los relojes individuales (principalmente primarios) .

Comparación de relojes atómicos

Estándares de tiempo

Varios laboratorios nacionales de metrología mantienen relojes atómicos, entre ellos el Observatorio de París , el Instituto Federal de Metrología de Alemania (PTB), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Colorado y Maryland (EE. UU.), JILA en la Universidad de Colorado Boulder , el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en el Reino Unido y el Instituto de Investigación Científica de Ingeniería Física y Metrología Radiotécnica de toda Rusia (VNIIFTRI). Para ello, diseñan y construyen patrones de frecuencia que producen oscilaciones eléctricas a una frecuencia cuya relación con la frecuencia de transición del cesio 133 es conocida, con el fin de lograr una incertidumbre muy baja. Estos patrones primarios de frecuencia estiman y corrigen diversos desplazamientos de frecuencia, incluidos los desplazamientos Doppler relativistas vinculados al movimiento atómico, la radiación térmica del entorno ( desplazamiento de cuerpo negro ) y otros factores. Los mejores patrones primarios actuales producen el segundo del SI con una precisión cercana a una incertidumbre de una parte por segundo.10 ¹⁶ .

A este nivel de precisión, las diferencias en el campo gravitatorio dentro del dispositivo no pueden ignorarse. El estándar se considera entonces dentro del marco de la relatividad general para proporcionar un tiempo adecuado en un punto específico. ^{[ 57 ]}

Los estándares de tiempo atómico, como el Tiempo Atómico Internacional (TAI) y el Tiempo Universal Coordinado (UTC), se difunden al público a través de sistemas de navegación por satélite, señales horarias de radio y servicios de tiempo basados en redes. Además de los sitios web oficiales de las autoridades horarias, existen herramientas de referencia de acceso público que permiten a los usuarios comparar la hora reportada por los sistemas informáticos locales con el UTC obtenido de los servidores de tiempo de los institutos nacionales de metrología, como los operados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Estas herramientas pueden utilizarse para observar desviaciones de reloj y discrepancias de sincronización en los dispositivos de los usuarios finales. ^{[ 58 ]}^{[ 59 ]}

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) proporciona una lista de frecuencias que sirven como representaciones secundarias de la segunda . Esta lista contiene los valores de frecuencia y las incertidumbres estándar respectivas para la transición de microondas del rubidio y otras transiciones ópticas, incluidos átomos neutros e iones atrapados individualmente. Estos estándares de frecuencia secundarios pueden ser tan precisos como una parte en10 ¹⁸ ; sin embargo, las incertidumbres en la lista son una parte de10 ¹⁴ –10 ¹⁶ . Esto se debe a que la incertidumbre en el patrón central de cesio con el que se calibran los patrones secundarios es una parte en10 ¹⁴ –10 ¹⁶ .

Los patrones de frecuencia primarios se pueden utilizar para calibrar la frecuencia de otros relojes utilizados en laboratorios nacionales. Estos suelen ser relojes de cesio comerciales que tienen una muy buena estabilidad de frecuencia a largo plazo, manteniendo una frecuencia con una estabilidad mejor que 1 parte en10 ¹⁴ durante unos meses. La incertidumbre de las frecuencias estándar primarias es de alrededor de una parte en10 ¹³ .

Los máseres de hidrógeno , que se basan en la transición hiperfina de 1,4 GHz del hidrógeno atómico, también se utilizan en laboratorios de metrología del tiempo. Los máseres superan a cualquier reloj de cesio comercial en términos de estabilidad de frecuencia a corto plazo. En el pasado, estos instrumentos se han utilizado en todas las aplicaciones que requieren una referencia constante durante períodos de tiempo inferiores a un día (estabilidad de frecuencia de aproximadamente 1 parte en 10 para tiempos de promediado de unas pocas horas). Debido a que algunos máseres de hidrógeno activos presentan una deriva de frecuencia modesta pero predecible con el tiempo, se han convertido en una parte importante del conjunto de relojes comerciales del BIPM que implementan el Tiempo Atómico Internacional. ^{[ 57 ]}

Sincronización con satélites

Es necesario conocer con gran precisión las lecturas horarias de los relojes que operan en laboratorios de metrología con el BIPM. Algunas operaciones requieren la sincronización de relojes atómicos separados por grandes distancias, de miles de kilómetros. Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) ofrecen una solución satisfactoria al problema de la transmisión horaria. Los relojes atómicos se utilizan para transmitir señales horarias en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos , el Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) de la Federación Rusa, el sistema Galileo de la Unión Europea y el sistema BeiDou de China .

La señal recibida de un satélite en un laboratorio de metrología equipado con un receptor de posición conocida con precisión permite determinar la diferencia horaria entre la escala de tiempo local y la del sistema GNSS con una incertidumbre de unos pocos nanosegundos al promediar durante 15 minutos. Los receptores permiten la recepción simultánea de señales de varios satélites y utilizan señales transmitidas en dos frecuencias. A medida que se lancen y entren en funcionamiento más satélites, las mediciones de tiempo serán más precisas.

Estos métodos de comparación de tiempos deben realizar correcciones para los efectos de la relatividad especial y la relatividad general de unos pocos nanosegundos.

En junio de 2015, el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en Teddington, Reino Unido; el departamento francés de Sistemas de Referencia Espacio-Temporal del Observatorio de París (LNE-SYRTE); el Instituto Nacional Alemán de Metrología (PTB) en Braunschweig ; y el Instituto Nacional de Investigación Metrológica (INRiM) de Italia en Turín comenzaron pruebas para mejorar la precisión de las comparaciones satelitales en un factor de 10, pero aún limitadas a una parte en1 × 10 ¹⁶ . Estos cuatro laboratorios europeos están desarrollando y albergan una variedad de relojes ópticos experimentales que aprovechan diferentes elementos en diferentes configuraciones experimentales y quieren comparar sus relojes ópticos entre sí y comprobar si coinciden. ^{[ 60 ]}

sincronización horaria internacional

Los laboratorios nacionales suelen operar con diversos relojes. Estos funcionan de forma independiente y, en ocasiones, sus mediciones se combinan para generar una escala más estable y precisa que la de cualquier reloj individual. Esta escala permite comparar el tiempo entre diferentes relojes del laboratorio. Estas escalas de tiempo atómico se denominan generalmente TA(k), por k de laboratorio. ^{[ 61 ]}

El Tiempo Universal Coordinado (UTC) es el resultado de comparar los relojes de los laboratorios nacionales de todo el mundo con el Tiempo Atómico Internacional (TAI), y luego añadir segundos intercalares según sea necesario. El TAI es un promedio ponderado de unos 450 relojes en unas 80 instituciones horarias. ^{[ 62 ]} La estabilidad relativa del TAI es de alrededor de una parte en10 ¹⁶ .

Antes de la publicación del TAI, la frecuencia del resultado se compara con el segundo del SI en diversos patrones de frecuencia primarios y secundarios. Esto requiere la aplicación de correcciones relativistas a la ubicación del patrón primario, las cuales dependen de la distancia entre el potencial gravitatorio igual y el geoide terrestre en rotación. Los valores del geoide en rotación y del TAI varían ligeramente cada mes y están disponibles en la publicación Circular T del BIPM . La escala temporal del TAI se retrasa unas semanas mientras se calcula el promedio de los relojes atómicos de todo el mundo.

El TAI no se utiliza en la medición del tiempo cotidiana. En su lugar, se suman o restan segundos intercalares para corregir la rotación de la Tierra, generando así el UTC. El número de segundos intercalares se ajusta para que el mediodía solar medio en el meridiano de Greenwich no se desvíe del mediodía UTC en más de 0,9 segundos.

Las instituciones nacionales de metrología mantienen una aproximación de UTC denominada UTC(k) para el sistema horario de referencia (k). El Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia del BIPM distribuye UTC(k). El desfase UTC-UTC(k) se calcula cada 5 días y los resultados se publican mensualmente. Los relojes atómicos registran UTC(k) con una precisión máxima de 100 nanosegundos. En algunos países, UTC(k) es la hora oficial que se difunde por radio, televisión, teléfono, internet, fibra óptica , transmisores de señales horarias y relojes parlantes. Además, el GNSS proporciona información horaria con una precisión de unas pocas decenas de nanosegundos o superior.

fibra óptica

En una siguiente fase, estos laboratorios se esfuerzan por transmitir señales de comparación en el espectro visible a través de cables de fibra óptica. Esto permitirá comparar sus relojes ópticos experimentales con una precisión similar a la esperada de los propios relojes ópticos. Algunos de estos laboratorios ya han establecido enlaces de fibra óptica y se han iniciado pruebas en tramos entre París y Teddington, y entre París y Braunschweig. También existen enlaces de fibra óptica entre relojes ópticos experimentales entre el laboratorio estadounidense NIST y su laboratorio asociado JILA , ambos en Boulder, Colorado, pero estos abarcan distancias mucho más cortas que la red europea y se dan entre solo dos laboratorios. Según Fritz Riehle, físico del PTB, «Europa se encuentra en una posición única, ya que cuenta con una alta densidad de los mejores relojes del mundo». ^{[ 60 ]}

En agosto de 2016, el LNE-SYRTE francés en París y el PTB alemán en Braunschweig informaron sobre la comparación y la concordancia de dos relojes ópticos de red de estroncio experimentales totalmente independientes en París y Braunschweig con una incertidumbre de5 × 10 ⁻¹⁷ a través de un enlace de frecuencia coherente de fase recientemente establecido que conecta París y Braunschweig, utilizando 1415 km (879 mi ) de cable de fibra óptica de telecomunicaciones. La incertidumbre fraccional de todo el enlace se evaluó en 2,5 × 10 ⁻¹⁹ , lo que permite comparaciones con relojes aún más precisos. ^{[ 63 ]}^{[ 64 ]}

En 2021, el NIST comparó la transmisión de señales de una serie de relojes atómicos experimentales ubicados a unos 1,5 km (1 milla ) de distancia en el laboratorio del NIST, su laboratorio asociado JILA y la Universidad de Colorado, todos en Boulder, Colorado, a través del aire y cable de fibra óptica con una precisión de 8 × 10 ⁻¹⁸ . ^{[ 65 ]}^{[ 66 ]}

Relojes atómicos de microondas

Cesio

El segundo del SI se define como un número determinado de transiciones hiperfinas del estado fundamental no perturbadas del átomo de cesio-133. Por lo tanto, los patrones de cesio se consideran patrones primarios de tiempo y frecuencia.

Los relojes de cesio incluyen el reloj NIST-F1 , desarrollado en 1999, y el reloj NIST-F2 , desarrollado en 2013. ^{[ 67 ]}^{[ 68 ]}

El cesio posee varias propiedades que lo convierten en una buena opción para un reloj atómico. Mientras que un átomo de hidrógeno se mueve a 1600 m/s a temperatura ambiente y un átomo de nitrógeno a 510 m/s, un átomo de cesio se mueve a una velocidad mucho menor de 130 m/s debido a su mayor masa. ^{[ 69 ]}^{[ 14 ]} La frecuencia hiperfina del cesio (~9,19 GHz) también es mayor que la de otros elementos como el rubidio (~6,8 GHz) y el hidrógeno (~1,4 GHz). ^{[ 14 ]} La alta frecuencia del cesio permite mediciones más precisas. Los tubos de referencia de cesio adecuados para los estándares nacionales actualmente duran aproximadamente siete años y cuestan alrededor de US$35 000. Los estándares primarios de frecuencia y tiempo, como los relojes atómicos del Estándar de Tiempo de los Estados Unidos, NIST-F1 y NIST-F2, utilizan una potencia mucho mayor. ^[³⁸^]^[⁷⁰^]^[⁷¹^]^[⁷²^]

Diagrama de bloques

En una referencia de frecuencia de haz de cesio, las señales de temporización se derivan de un oscilador de cristal de cuarzo controlado por voltaje (VCXO) de alta estabilidad que es sintonizable en un rango estrecho. La frecuencia de salida del VCXO (típicamente 5 MHz) se multiplica por un sintetizador de frecuencia para obtener microondas a la frecuencia de la transición hiperfina atómica del cesio (aproximadamente9 192 .6317 MHz ). La salida del sintetizador de frecuencia se amplifica y se aplica a una cámara que contiene gas cesio, el cual absorbe las microondas. La corriente de salida de la cámara de cesio aumenta a medida que aumenta la absorción.

El resto del circuito simplemente ajusta la frecuencia de funcionamiento del VCXO para maximizar la corriente de salida de la cámara de cesio, que mantiene el oscilador sintonizado a la frecuencia de resonancia de la transición hiperfina. ^{[ 73 ]}

Rubidio

El BIPM define la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de rubidio-87;6.834.682.610,9043126 Hz ; en términos de la frecuencia estándar del cesio. Por lo tanto, los relojes atómicos basados en estándares de rubidio se consideran representaciones secundarias del segundo.

Las ventajas de los relojes atómicos de rubidio son su bajo costo, su pequeño tamaño (los estándares comerciales son tan pequeños como1,7 × 10⁵ ^mm³ ) ^[³⁷ ] y estabilidad a corto plazo. Se utilizan en numerosas aplicaciones comerciales, portátiles y aeroespaciales. Los tubos estándar de rubidio modernos duran más de diez años y pueden costar tan solo 50 dólares estadounidenses. Algunas aplicaciones comerciales utilizan un estándar de rubidio corregido periódicamente por un ^receptor^del sistema de posicionamiento global (véase oscilador sincronizado con GPS ). Esto logra una excelente precisión a corto plazo, con una precisión a largo plazo igual a (y trazable a) los estándares de tiempo nacionales de EE. UU. ^{[ 74 ]}

Hidrógeno

El BIPM define la frecuencia de transición óptica no perturbada del átomo neutro de hidrógeno-1;1.233.030.706.593.514 Hz ; en términos de la frecuencia estándar del cesio. Por lo tanto, los relojes atómicos basados en estándares de hidrógeno se consideran representaciones secundarias del segundo.

Los máseres de hidrógeno presentan una estabilidad a corto plazo superior a la de otros estándares, pero una precisión a largo plazo inferior. La estabilidad a largo plazo de los estándares de máser de hidrógeno disminuye debido a los cambios en las propiedades de la cavidad con el tiempo. El error relativo de los máseres de hidrógeno es de 5 × 10⁻¹⁶ ^para periodos de 1000 segundos. Esto hace que los máseres de hidrógeno sean adecuados para la radioastronomía , en particular para la interferometría de línea de base muy larga . ^{[ 10 ]}

Los máseres de hidrógeno se utilizan en osciladores de volante de inercia en patrones de frecuencia atómica enfriados por láser y en la transmisión de señales horarias desde laboratorios nacionales de estándares, aunque requieren corrección, ya que se desvían de la frecuencia correcta con el tiempo. El máser de hidrógeno también es útil para pruebas experimentales de los efectos de la relatividad especial y general, como el desplazamiento al rojo gravitacional . ^{[ 10 ]}

Otros tipos de relojes atómicos

Relojes atómicos ópticos

Los relojes ópticos funcionan de forma similar a los relojes de microondas, pero a frecuencias mucho más altas, alrededor de10 ¹⁵ Hz en lugar de laRango de 10 ¹⁰ Hz de relojes de microondas. La ventaja de los relojes ópticos se puede explicar por la afirmación de que la inestabilidad $\sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}$ , dónde $\sigma$ es la inestabilidad, f es la frecuencia y S / N es la relación señal/ruido. Esto conduce a la ecuación $\sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}$ .

Los relojes ópticos se basan en transiciones ópticas prohibidas en iones o átomos, con un ancho de línea natural. $\Delta f$ de típicamente 1 Hz, por lo que el factor Q es aproximadamente10 ¹⁵ . En comparación con los relojes de microondas, elUna frecuencia 10 ⁵ veces mayor proporciona una mejor estabilidad, lo que significa que pueden facilitar la evaluación de incertidumbres menores. Su "tick" más rápido también proporciona una mejor resolución temporal para intervalos cortos. ^{[ 75 ]}

Los relojes ópticos fueron posibles gracias al desarrollo del peine de frecuencias , que permitió el conteo exacto de ciclos de estas frecuencias ópticas extremadamente altas. Los relojes ópticos utilizan un solo ion o una red óptica con10 ⁴ –10 ⁶ átomos.

concepto nuclear

Se está desarrollando otra variante del reloj atómico óptico que utiliza una transición de energía nuclear (entre diferentes isómeros nucleares ) en lugar de las transiciones electrónicas atómicas que miden los relojes atómicos actuales. La mayoría de las transiciones nucleares operan a una frecuencia demasiado alta para ser medidas, pero la energía de excitación excepcionalmente baja de ^{229 m}El Th produce " rayos gamma " en el rango de frecuencia ultravioleta. En 2003, Ekkehard Peik y Christian Tamm^{[ 76 ]} observaron que esto hace posible un reloj con las técnicas actuales de medición de frecuencia óptica. En 2012, se demostró que un reloj nuclear basado en un solo²²⁹Th ³⁺El ion podría proporcionar una inexactitud de frecuencia fraccionaria total de1,5 × 10 ⁻¹⁹ , lo cual fue mejor que la tecnología de reloj atómico óptico existente de 2019. ^{[ 77 ]}

Aunque neutral ^229mLos átomos de Th se desintegran en microsegundos por conversión interna , ^{[ 78 ]} esta vía está energéticamente prohibida en ^229mTh ⁺iones, ya que la segunda y mayor energía de ionización es mayor que la energía de excitación nuclear, dando ^229mTh ⁺iones con una vida media larga del orden de10 ³ s . ^{[ 79 ]} Es la gran relación entre la frecuencia de transición y la vida útil del isómero lo que le da al reloj un alto factor de calidad . ^{[ 77 ]}

El factor de calidad extremadamente alto también hace que la frecuencia de transición sea muy difícil de encontrar, y la década de 2010 se dedicó a buscarla. ^{[ 80 ]}^{[ 81 ]}^{[ 82 ]}^{[ 83 ]} Finalmente se logró una medición suficientemente precisa en 2024 como2.020.407.384.335 ± 2 kHz . ^{[ 84 ]}^{[ 79 ]}^{[ 85 ]}^{[ 86 ]} Los primeros relojes nucleares ópticos experimentales se anunciaron en junio de 2026. ^{[ 87 ]}^{[ 88 ]}^{[ 89 ]}^{[ 90 ]} Todavía no son competitivos con otros relojes atómicos, pero se espera que su desarrollo sea rápido. ^{[ 91 ]}^{[ 88 ]}

Una transición a la energía nuclear ofrece las siguientes ventajas potenciales: ^{[ 92 ]}

Mayor frecuencia. En igualdad de condiciones, una transición de mayor frecuencia ofrece mayor estabilidad por simples razones estadísticas (las fluctuaciones se promedian a lo largo de más ciclos).
Insensibilidad a los efectos ambientales. Debido a su pequeño tamaño y al efecto de apantallamiento de los electrones circundantes, un núcleo atómico es mucho menos sensible a los campos electromagnéticos ambientales que un electrón en una órbita.
Mayor número de átomos. Debido a la insensibilidad a los campos ambientales mencionada anteriormente, no es necesario que los átomos del reloj estén bien separados en un gas diluido. Las mediciones actuales aprovechan el efecto Mössbauer y colocan los iones de torio en un sólido, lo que permite analizar miles de millones de átomos.

Potencial para redefinir el segundo

En 2022, la mejor realización del segundo se logra con relojes patrón primarios de fuente de cesio como IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 o SYRTE-FO2. Estos relojes funcionan enfriando con láser una nube de átomos de cesio a un microkelvin en una trampa magnetoóptica. Estos átomos fríos se lanzan verticalmente mediante luz láser. Luego, los átomos experimentan excitación Ramsey en una cavidad de microondas. La fracción de átomos excitados se detecta mediante haces láser . Estos relojes tienen5 × 10 ⁻¹⁶ incertidumbre sistemática, que es equivalente a50 picosegundos por día. Un sistema de varias fuentes en todo el mundo contribuye al Tiempo Atómico Internacional. Estos relojes de cesio también son la base de las mediciones de frecuencia óptica.

El desarrollo de relojes alómicos ópticos más estables que los mejores relojes de cesio ha dado lugar a propuestas para redefinir el segundo con mayor precisión. ^{[ 75 ]} Sin embargo, existen varios sistemas de relojes ópticos en desarrollo activo, y no está claro cuál es el mejor para reemplazar a largo plazo el estándar de cesio.

constante de Rydberg

Una alternativa sería definir la segunda fijando la constante de Rydberg a un valor determinado: $R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _ {0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h}}$ La constante de Rydberg describe los niveles de energía en un átomo de hidrógeno con la aproximación no relativista. $E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}$ .

La única forma viable de corregir la constante de Rydberg implica atrapar y enfriar átomos de hidrógeno. Desafortunadamente, esto es difícil porque son muy ligeros y se mueven muy rápido, lo que provoca desplazamientos Doppler. La radiación necesaria para enfriar el hidrógeno...121,5 nm — también es difícil trabajar con él. Otro obstáculo implica mejorar la incertidumbre en los cálculos de electrodinámica cuántica /QED. ^{[ 93 ]}

En el Informe de la 25.ª reunión del Comité Consultivo de Unidades (2021), ^{[ 94 ]} se consideraron 3 opciones para la redefinición del segundo en algún momento alrededor de 2026, 2030 o 2034. El primer enfoque de redefinición considerado fue una definición basada en una única transición de referencia atómica. El segundo enfoque de redefinición considerado fue una definición basada en un conjunto de frecuencias. El tercer enfoque de redefinición considerado fue una definición basada en fijar el valor numérico de una constante fundamental, como hacer de la constante de Rydberg la base de la definición. El comité concluyó que no había una forma factible de redefinir el segundo con la tercera opción, ya que actualmente no se conoce ninguna constante física con suficientes dígitos para permitir realizar el segundo con una constante.

Requisitos

Una redefinición debe incluir una mayor fiabilidad del reloj óptico. Los relojes ópticos deben contribuir al TAI antes de que el BIPM apruebe una redefinición. Se debe desarrollar un método consistente para comunicar las señales resultantes, como la fibra óptica , antes de redefinir el segundo. ^{[ 93 ]}

Representaciones secundarias de la segunda

Las representaciones del segundo distintas del estándar de cesio del SI se justifican por la creciente precisión de otros relojes atómicos. En particular, las altas frecuencias y los anchos de línea reducidos de los relojes ópticos prometen una relación señal-ruido y una estabilidad significativamente mejoradas. Otras representaciones secundarias contribuirían a la preparación de una futura redefinición del segundo. ^{[ 95 ]}

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) mantiene desde 2006 una lista de frecuencias recomendadas para representaciones secundarias del segundo, disponible en línea . Esta lista contiene los valores de frecuencia y las incertidumbres estándar correspondientes para la transición de microondas del rubidio y para varias transiciones ópticas. Estos estándares de frecuencia secundarios tienen una precisión de 10⁻¹⁰⁻¹⁸ ; sin embargo, las incertidumbres proporcionadas en la lista están en el rango 10⁻¹⁴ – 10⁻¹⁵ ya que están limitados por la vinculación al patrón primario de cesio que actualmente (2018) define el segundo.^{[ 57 ]}

Los relojes atómicos experimentales del siglo XXI, que proporcionan representaciones secundarias del segundo sin utilizar cesio, están alcanzando tal precisión que probablemente se utilicen como detectores extremadamente sensibles para otras funciones además de medir la frecuencia y el tiempo. Por ejemplo, la frecuencia de los relojes atómicos se ve ligeramente alterada por la gravedad, los campos magnéticos, los campos eléctricos, la fuerza, el movimiento, la temperatura y otros fenómenos. Los relojes experimentales tienden a seguir mejorando, y el liderazgo en rendimiento ha oscilado entre distintos tipos de relojes experimentales. ^{[ 107 ]}^{[ 108 ]}^{[ 109 ]}^{[ 110 ]}

Aplicaciones

Relojes atómicos y su uso en el GPS, por Bill Hammack

El desarrollo de los relojes atómicos ha propiciado numerosos avances científicos y tecnológicos, como sistemas de navegación por satélite globales y regionales de alta precisión y aplicaciones en Internet , que dependen fundamentalmente de estándares de frecuencia y tiempo. Los relojes atómicos se instalan en las estaciones transmisoras de señales de radio horarias . ^{[ 111 ]} Se utilizan en algunas estaciones de radiodifusión de onda larga y media para proporcionar una frecuencia portadora muy precisa. ^{[ 112 ]} Los relojes atómicos se emplean en diversas disciplinas científicas, como la interferometría de línea de base larga en radioastronomía . ^{[ 113 ]}

sistemas globales de navegación por satélite

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS), operado por la Fuerza Espacial de los Estados Unidos, proporciona señales de frecuencia y tiempo muy precisas. Un receptor GPS funciona midiendo el retardo de tiempo relativo de las señales de un mínimo de cuatro, pero generalmente más, satélites GPS, cada uno de los cuales tiene al menos dos relojes atómicos de cesio y hasta dos de rubidio a bordo. Los tiempos relativos se transforman matemáticamente en tres coordenadas espaciales absolutas y una coordenada de tiempo absoluta. ^{[ 114 ]} El tiempo GPS (GPST) es una escala de tiempo continua y teóricamente precisa hasta aproximadamente 14 nanosegundos . ^{[ 115 ]} Sin embargo, la mayoría de los receptores pierden precisión en la interpretación de las señales y solo son precisos hasta 100 nanosegundos. ^{[ 116 ]}^{[ 117 ]}

GPST está relacionado con TAI (Tiempo Atómico Internacional) y UTC (Tiempo Universal Coordinado), pero difiere de ellos. GPST mantiene un desfase constante con respecto a TAI (TAI – GPST = 19 segundos) y, al igual que TAI, no implementa segundos intercalares . Se realizan correcciones periódicas a los relojes a bordo de los satélites para mantenerlos sincronizados con los relojes terrestres. ^{[ 118 ]}^{[ 119 ]} El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre GPST y UTC. A partir de julio de 2015, GPST está 17 segundos adelantado con respecto a UTC debido al segundo intercalar añadido a UTC el 30 de junio de 2015. ^{[ 120 ]}^{[ 121 ]} Los receptores restan este desfase del tiempo GPS para calcular UTC.

El Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS), operado por las Fuerzas de Defensa Aeroespacial Rusas, ofrece una alternativa al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y es el segundo sistema de navegación en funcionamiento con cobertura global y precisión comparable. El tiempo GLONASS (GLONASST) es generado por el Sincronizador Central GLONASS y suele ser mejor que 1000 nanosegundos. ^{[ 122 ]} A diferencia del GPS, la escala de tiempo GLONASS implementa segundos intercalares, como UTC. ^{[ 123 ]}

El Sistema Global de Navegación por Satélite Galileo es operado por la Agencia Europea de GNSS y la Agencia Espacial Europea . Galileo comenzó a ofrecer Capacidad Operativa Temprana (EOC) global el 15 de diciembre de 2016, proporcionando el tercer sistema global de navegación por satélite, y el primero operado no militarmente. ^[¹²⁴^]^[¹²⁵^] El Tiempo del Sistema Galileo (GST) es una escala de tiempo continua que se genera en tierra en el Centro de Control de Galileo en Fucino, Italia, por la Instalación de Sincronización Precisa, basada en promedios de diferentes relojes atómicos y mantenida por el Segmento Central de Galileo y sincronizada con TAI con un desfase nominal inferior a 50 nanosegundos. ^[¹²⁶^]^[¹²⁷^]^[¹²⁸^]^[¹²⁵^] Según la Agencia Europea de GNSS, Galileo ofrece una precisión de sincronización de 30 nanosegundos. ^[¹²⁹^]

El Informe Trimestral de Rendimiento de marzo de 2018 del Centro Europeo de Servicios GNSS informó que la precisión del Servicio de Difusión de Tiempo UTC fue ≤ 7,6 nanosegundos, calculada mediante la acumulación de muestras durante los 12 meses anteriores, y superó el objetivo de ≤ 30 ns. ^{[ 130 ]}^{[ 131 ]} Cada satélite Galileo tiene dos máseres de hidrógeno pasivos y dos relojes atómicos de rubidio para la sincronización a bordo. ^{[ 132 ]}^{[ 133 ]}

El mensaje de navegación de Galileo incluye las diferencias entre GST, UTC y GPST para promover la interoperabilidad. ^{[ 134 ]}^{[ 135 ]} En el verano de 2021, la Unión Europea optó por un máser de hidrógeno pasivo para la segunda generación de satélites Galileo, a partir de 2023, con una vida útil prevista de 12 años por satélite. Los máseres miden aproximadamente 60 cm de largo y pesan 18 kg. ^{[ 136 ]}

El sistema de navegación por satélite BeiDou-2/BeiDou-3 es operado por la Administración Espacial Nacional de China . El tiempo BeiDou (BDT) es una escala de tiempo continua que comienza el 1 de enero de 2006 a las 0:00:00 UTC y está sincronizado con UTC dentro de 100 ns. ^{[ 137 ]}^{[ 138 ]} BeiDou entró en funcionamiento en China en diciembre de 2011, con 10 satélites en uso, ^{[ 139 ]} y comenzó a ofrecer servicios a clientes en la región de Asia-Pacífico en diciembre de 2012. ^{[ 140 ]} El 27 de diciembre de 2018, el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou comenzó a proporcionar servicios globales con una precisión de tiempo reportada de 20 ns. ^{[ 141 ]} El último satélite BeiDou-3, el número 35, para cobertura global fue lanzado a órbita el 23 de junio de 2020. ^{[ 142 ]}

Reloj espacial experimental

En abril de 2015, la NASA anunció que planeaba desplegar un Reloj Atómico de Espacio Profundo (DSAC), un reloj atómico de iones de mercurio miniaturizado y ultrapreciso, en el espacio exterior. La NASA afirmó que el DSAC sería mucho más estable que otros relojes de navegación. ^{[ 143 ]} El reloj fue lanzado con éxito el 25 de junio de 2019, ^{[ 144 ]} activado el 23 de agosto de 2019 ^{[ 145 ]} y desactivado dos años después, el 18 de septiembre de 2021. ^{[ 146 ]}

Uso militar

En 2022, DARPA anunció una iniciativa para actualizar los sistemas de cronometraje del ejército estadounidense para lograr una mayor precisión a lo largo del tiempo cuando los sensores no tienen acceso a los satélites GPS, con un plan para alcanzar una precisión de 1 parte en10 ¹² . La red de reloj óptico robusto equilibrará la usabilidad y la precisión a medida que se desarrolle durante 4 años. ^{[ 147 ]}^{[ 148 ]}

transmisores de radio de señal horaria

Un radio reloj es un reloj que se sincroniza automáticamente mediante señales de radio horarias recibidas por un receptor de radio . Algunos fabricantes pueden denominar radio relojes como relojes atómicos, ^{[ 149 ]} porque las señales de radio que reciben provienen de relojes atómicos. Los receptores de consumo comunes y económicos que se basan en señales de tiempo moduladas en amplitud tienen una incertidumbre de precisión práctica de ± 0,1 segundos. Esto es suficiente para muchas aplicaciones de consumo. ^{[ 149 ]} Los receptores de tiempo de grado instrumental ofrecen mayor precisión. Los radio relojes experimentan un retardo de propagación de aproximadamente 1 ms por cada 300 kilómetros (186 millas) de distancia del transmisor de radio . Muchos gobiernos operan transmisores para fines de cronometraje. ^[¹⁵⁰^]

relatividad general

La relatividad general predice que los relojes avanzan más lentamente a mayor profundidad en un campo gravitatorio, y este efecto de desplazamiento al rojo gravitatorio ha sido ampliamente documentado. Los relojes atómicos son eficaces para poner a prueba la relatividad general a escalas cada vez menores. Un proyecto para observar doce relojes atómicos desde el 11 de noviembre de 1999 hasta octubre de 2014 demostró una vez más la precisión de la teoría de la relatividad general de Einstein a escalas pequeñas. ^{[ 151 ]}

En 2021, un equipo de científicos de JILA midió la diferencia en el paso del tiempo debido al desplazamiento al rojo gravitacional entre dos capas de átomos separadas por un milímetro utilizando un reloj óptico de estroncio enfriado a 100 nanokelvins con una precisión de7,6 × 10 ⁻²¹ segundos. ^{[ 152 ]} Dada su naturaleza cuántica y el hecho de que el tiempo es una magnitud relativista, los relojes atómicos pueden utilizarse para observar cómo el tiempo se ve influenciado simultáneamente por la relatividad general y la mecánica cuántica . ^{[ 153 ]}^{[ 154 ]}

Sistemas financieros

Los relojes atómicos mantienen registros precisos de las transacciones entre compradores y vendedores con una precisión de milisegundos o incluso mejor, especialmente en el comercio de alta frecuencia . ^{[ 155 ]}^{[ 156 ]} La precisión horaria es necesaria para prevenir el comercio ilegal con antelación, además de garantizar la equidad para los comerciantes del otro lado del mundo. En 2018, el sistema vigente, conocido como NTP, solo tenía una precisión de un milisegundo. ^{[ 157 ]}

Relojes ópticos portátiles

Muchos de los relojes ópticos más precisos son grandes y solo están disponibles en grandes laboratorios de metrología. Por lo tanto, no son fácilmente útiles para fábricas con espacio limitado u otros entornos industriales que podrían utilizar un reloj atómico para lograr la precisión del GPS.

Investigadores han diseñado un reloj de red óptica de estroncio que se puede transportar en un remolque de coche con aire acondicionado. Lograron una incertidumbre relativa de7,4 × 10 ⁻¹⁷ en comparación con uno estacionario. ^{[ 158 ]}

fabricantes

Entre los fabricantes de relojes atómicos que se utilizan para llevar la cuenta del UTC se incluyen Microchip , T4Science , Anritsu , Microsemi y HP . ^{[ 159 ]}

Véase también

Notas explicativas

↑ Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han demostrado un reloj que no perderá un segundo en 300 mil millones de años.^{[ 49 ]}
↑ Un segundo en 13.800 millones de años, la edad del universo, es una precisión de2,3 × 10 ⁻¹⁸ .

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