Polonia y Alemania conectan sus mejores relojes; crean un "puente del tiempo" de fibra óptica

Polonia y Alemania han conectado sus laboratorios mediante fibra óptica, lo que permite comparar las mediciones de los relojes más precisos de ambos países. Este es el primer paso hacia la creación de una red europea de centros de medición del tiempo.

La precisión con la que se mide el tiempo hoy en día afecta la navegación, la banca, la seguridad nacional e incluso ayuda a predecir terremotos.

“Desde hace varias décadas, no existe un reloj estándar único e infalible en el mundo —un equivalente al patrón del kilogramo de Sèvre— con el que todos los relojes del mundo deban sincronizarse”, declaró a PAP el físico Prof. Michał Zawada, de la Universidad Nicolás Copérnico. Añadió que, hoy en día, para obtener un estándar de tiempo, es necesario poder comparar las mediciones de relojes de diferentes partes del mundo en tiempo real y promediar sus cálculos.

Hasta ahora, una señal de radio bastaba para comparar mediciones de tiempo. Ahora es evidente que esto ya no es suficiente: se necesitan redes de fibra óptica adecuadamente preparadas.

Por ello, Polonia se ha involucrado en actividades pioneras para crear estos puentes internacionales. Como parte de la red europea GÉANT, el otoño pasado se lanzó la primera conexión académica internacional de fibra óptica Pathfinder, con una longitud de aproximadamente 690 km. Consiste en fibras ópticas proporcionadas por la red polaca PIONIER (aprox. 270 km) y alquiladas por la red GÉANT en Alemania (aprox. 420 km). El puente de fibra óptica conecta el Instituto Nacional de Metrología de Braunschweig con el Centro de Supercomputación y Redes de Poznań. En el PSNC, el puente se conecta con la red óptica no comercial PIONIER, que existe en Polonia desde hace décadas y conecta los principales centros académicos polacos.

De esta manera, las mediciones de tiempo realizadas en Braunschweig se envían, por ejemplo, a la UMK, donde funcionan los dos relojes más precisos de Polonia: los relojes atómicos ópticos. O a la Oficina Central de Medidas de Varsovia, que mantiene la hora oficial de Polonia.

¿Por qué necesitamos relojes de alta precisión? El tictac constante de los relojes de péndulo y el movimiento de los engranajes de los relojes de cuerda pueden permitirles medir bien los minutos, pero no pueden con las fracciones de segundo, importantes, por ejemplo, en los deportes profesionales. Por eso, los relojes de cuarzo entraron en el mercado hace medio siglo, con su "corazón" de cristal latiendo a 32.000 pulsaciones por segundo.

Y, sin embargo, incluso esta velocidad es demasiado lenta para calcular el tiempo en aplicaciones de navegación GPS, bancarias o militares. Por ello, los relojes atómicos se han convertido en el estándar para el tiempo, donde la medición del tiempo se basa en la velocidad de excitación de los átomos. Estos relojes, en el GUM, el PCSS o el Borówiec, marcan diez billones de veces por segundo (10 elevado a -16 s).

Pero ni siquiera este es el límite de la precisión: el "péndulo" de los relojes atómicos ópticos, que funcionan por ejemplo en la UMK, hace tictac un billón de billones de veces por segundo (es cien veces más preciso que en los relojes atómicos).

Resulta que si podemos medir el tiempo con tanta precisión, se hacen posibles cálculos sobre propiedades del universo muy poco evidentes, como las relacionadas con la gravedad. Como sabemos por la teoría de Einstein, la gravedad curva el espacio-tiempo: el tiempo transcurre más lento cerca de objetos masivos y más rápido lejos de ellos. Esto significa que el reloj del Palacio de la Cultura y la Ciencia corre un poco más rápido que los relojes de los habitantes de Varsovia que viajan en metro. Estas diferencias carecen de importancia en la vida cotidiana. Pero si sabemos cómo medir estas pequeñas diferencias en el tiempo, pueden utilizarse en muchas tecnologías avanzadas.

Por ejemplo, científicos japoneses utilizan relojes de alta precisión para predecir terremotos. «Cuando la distribución de masas bajo tierra cambia (por ejemplo, cuando una caldera volcánica se llena de lava), el campo gravitacional en un lugar determinado cambia y, como resultado, el tiempo fluye allí, por ejemplo, un poco más lento que antes. Al comparar un reloj en un volcán activo con uno en un lugar estable, se observa que se desincronizan: uno empieza a funcionar de forma diferente al otro», describe el profesor Zawada. Gracias a esto, se creará un sistema que alertará a los residentes a tiempo y les permitirá prepararse para un terremoto.

Los relojes atómicos ópticos también ayudarán a construir sistemas de navegación terrestre de alta precisión. La criptografía cuántica y la banca también podrían beneficiarse de esto, ya que podrán controlar el orden de las transacciones con mayor rapidez. Los astrónomos que utilizan radiotelescopios también necesitan información sobre la hora exacta de un fenómeno observado. También necesitan relojes para medir con precisión las distancias y masas cósmicas; esperan mejorar la precisión de las mediciones del tiempo.

Está claro, sin embargo, que medir el tiempo con gran precisión sólo tiene más sentido cuando podemos compararlo con mediciones realizadas en otros lugares del mundo.

El profesor Zawada explica que utilizar las redes comerciales de fibra óptica existentes en este proyecto no sólo sería costoso, sino también difícil de implementar: durante su construcción y mantenimiento, los científicos deben tener acceso constante a la infraestructura de fibra óptica para garantizar que los fotones se repliquen y multipliquen correctamente en los enlaces.

Así, a lo largo del Pathfinder polaco-alemán se ubican 10 puntos de amplificación de señal y un regenerador de transferencia de tiempo y frecuencia. Para la construcción de este puente se utilizaron dispositivos de transmisión suministrados por PCSS, desarrollados y fabricados en Polonia en colaboración con la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH y PCSS.

El investigador de la UMK señala, sin embargo, que el mayor desafío del proyecto fueron las cuestiones burocráticas y políticas: cómo organizar formalmente la construcción de un cable de fibra óptica que cruzara las fronteras estatales. Sin embargo, fue un éxito. Los científicos esperan que otros países sigan el camino que han trazado. Ahora es el turno de otros socios.

¿Cómo funciona el reloj atómico óptico para el que se construyó la conexión Pathfinder? Para excitar un átomo de un elemento específico —para mover su electrón a un nivel superior—, es necesario suministrarle un cuanto de luz con una frecuencia muy específica: aproximadamente el número de vibraciones de ondas de luz por segundo. Cada color es un "péndulo de fotones" con un movimiento ligeramente diferente. Si encontramos un color que excita a un átomo dado (y los átomos no cambian sus preferencias), significa que tenemos un estándar de tiempo. Podemos enviar fotones con dichas propiedades a otro laboratorio y, por ejemplo, comparar cómo difieren los colores excitantes en diferentes lugares y bajo diferentes condiciones.

Anteriormente, las mediciones de relojes atómicos (por ejemplo, en satélites) se comparaban mediante ondas de radio. Sin embargo, la precisión de las mediciones de relojes atómicos ópticos se pierde por completo en este medio. Es como preguntarle a alguien qué hora es en una carta enviada por correo. No tiene sentido. Por lo tanto, se necesita un medio capaz de transferir rápidamente fotones inalterados de una frecuencia específica (número de vibraciones por segundo) a gran distancia. Y para esto es precisamente necesario una conexión de fibra óptica con los parámetros adecuados.

Ciencia en Polonia, Ludwika Tomal (PAP)

lt/ bar/ amac/