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 mientras investigadores de la TU Wien y colaboradores utilizan la metrología cuántica para el reloj atómico.

Un reloj atómico utiliza las propiedades cuánticas de los átomos para medir el tiempo con una precisión mucho mayor que los relojes convencionales. Estos cronómetros, los más precisos del mundo, son conocidos por su precisión sin precedentes al usar 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 cierta incertidumbre, por lo que se espera un nivel de ruido estadístico que debe aceptarse. Este ruido o aleatoriedad impone un límite a la precisión alcanzada. 

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

Curiosamente, 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 a 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 mayor precisión consumen más energía que sus contrapartes menos precisas. 

Con un principio clave de la termodinámica que establece que la energía siempre fluye de objetos calientes a fríos, invertir este flujo (como en un refrigerador) significa que debemos 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, hasta ahora.

Un equipo de científicos de la TU Wien, la Universidad de Malta y la Universidad Tecnológica de Chalmers ha demostrado que, mediante trucos especiales, podemos aumentar la precisión exponencialmente. 

El punto clave aquí es usar dos escalas de tiempo diferentes, al igual que un reloj estándar tiene una aguja de minutos y una 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 respecto a su estado medio), lo que limita la precisión de su funcionamiento. Este problema es más notable a escalas diminutas 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 tique. 

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

En la búsqueda de los relojes atómicos más precisos, que podrían eventualmente pasar a energía nuclear en el futuro, estos costos no son la preocupación más urgente, pero para el control cuántico pequeño y autónomo, la relación exacta entre disipación y precisión puede ser una preocupación práctica. 

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

Este logro se habilita mediante transporte coherente en una cadena de espines con acoplamientos personalizados, donde la disipación de entropía se restringe a un solo enlace, según el estudio. Los resultados muestran que la dinámica cuántica coherente puede superar los límites de precisión de la termodinámica tradicional, potencialmente ayudando al desarrollo de futuros dispositivos cuánticos de alta precisión y baja disipación.

“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 basado en tiempo, como una oscilación cuántica o un péndulo. El segundo es un contador, que es un elemento que cuenta las unidades de tiempo, definidas por el generador base, que han transcurrido.

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

Mientras tanto, en un reloj atómico, el átomo de cesio vuelve al mismo estado que tenía antes, después de un número determinado de oscilaciones. Sin embargo, el contador 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 del universo; de lo contrario, no es un reloj.” 

– Florian Meier de la TU Wien

En un reloj de péndulo, el péndulo genera calor y desorden entre las moléculas de aire a su alrededor. En el caso de un reloj atómico, cada haz 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 tendría que generar un reloj hipotético con una precisión extremadamente alta, y, en consecuencia, cuánta energía necesitaría tal reloj. Hasta ahora, parecía haber una relación lineal: si deseas mil veces más precisión, debes 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 Tecnológica de Chalmers y la Academia Austriaca de Ciencias (ÖAW), ha demostrado que esta supuesta regla puede evadirse usando dos escalas de tiempo diferentes.

Por ejemplo, como compartió Meier, las partículas que se desplazan de un área a otra pueden usarse para medir el tiempo, de forma similar a cómo los granos de arena lo hacen al caer de la parte superior del reloj de arena a la inferior.

Una serie de dichos dispositivos de medición del tiempo pueden conectarse en serie, y entonces puedes contar cuántos de ellos ya han pasado. Esto sería similar a cómo la aguja mayor del reloj cuenta el número de vueltas que la aguja menor ya ha completado.

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

Otro tipo de transporte de partículas permitido por la física cuántica es viajar a través de toda la estructura. Aquí, las partículas atraviesan el dial del reloj sin ser medidas.

Durante este proceso, la partícula, de alguna forma, está en todas partes sin una ubicación claramente definida hasta que finalmente llega. Es entonces cuando la partícula se mide, en un proceso irreversible que aumenta la entropía.

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

“Lo crucial de nuestro método es que una aguja se comporta puramente en términos de física cuántica, y solo la otra, más lenta, tiene un efecto generador de entropía.”

– Yuri Minoguchi de la TU Wien

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

“Además, la teoría podría probarse en el mundo real usando circuitos superconductores, una de las tecnologías cuánticas más avanzadas disponibles actualmente.”

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

Huber calificó esto como un resultado crucial para la investigación de mediciones cuánticas de alta precisión, así como para suprimir fluctuaciones indeseadas. Además, la investigación, señaló Huber, “nos ayuda a comprender mejor uno de los grandes misterios de la física: la conexión entre la física cuántica y la termodinámica.”

Haga clic aquí para aprender cómo el torio está impulsando relojes nucleares ultra‑precisos.

El Futuro Impacto de la Cronometraje Cuántico en la Humanidad

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

Para llevar registro de nuestro tiempo, la gente desarrolló calendarios, y a medida que las sociedades se volvieron más complejas y tecnológicas, se volvió más importante contar con una cronometraje precisa. 

Lo que la cronometraje necesita es algo que oscile con un ritmo constante y otro elemento que cuente esos latidos y muestre la hora. 

Esto condujo al desarrollo de relojes, que se fueron sofisticando con el tiempo mediante péndulos y osciladores de cuarzo. 

Desde relojes de pulsera hasta relojes usados en satélites, la mayoría de los relojes modernos aún mantienen el tiempo usando un oscilador de cristal de cuarzo. Cuando se aplica un voltaje al oscilador, vibra a una frecuencia precisa, que actúa como el péndulo en un reloj de péndulo, marcando el tiempo transcurrido.

Pero el problema era que no había dos relojes iguales. Y con el mundo cada vez más interconectado, surgió la necesidad de una forma consistente y precisa de medir el tiempo. Un reloj atómico fue una solución natural.

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

Los átomos son los bloques básicos de toda la materia. En el núcleo de los átomos se encuentran protones y neutrones, rodeados por electrones, cuyo número puede variar. Los electrones se organizan en niveles de energía distintos, girando 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 tampoco deberían variar. 

Aunque la idea surgió a finales del siglo XIX, no fue hasta mucho después que se desarrolló realmente un reloj atómico. 

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

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

Luego midió la frecuencia a la que los átomos de cesio absorben y emiten microondas de forma natural, alrededor de 9.1914 mil millones de ciclos por segundo, y habló de ello años después, describiéndolo el NYT como un “péndulo cósmico” que pulsa “frecuencias de radio en el corazón de los átomos”.

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

Con el tiempo, nuevas innovaciones tecnológicas como la bombeo óptico, que creó señales de resonancia magnética y absorción de microondas mucho más fuertes, y la interferometría de Ramsey, que se utilizó para la espectroscopía de haz molecular, llevaron a avances en el campo y motivaron a otros grupos científicos a estudiar lo mismo.

Para 1975, el reloj atómico del 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 Deep Space Atomic Clock para ayudar a que la navegación de naves espaciales a destinos lejanos, como otros planetas, sea más autónoma. Este reloj 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 los satélites GPS, y esto 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, físico de relojes atómicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro (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 cronometraje preciso que producen los relojes atómicos no es necesario para la vida cotidiana, pero tiene implicaciones profundas en muchas otras industrias. Los relojes atómicos han llevado a avances en metrología, comunicaciones, sistemas de navegación avanzados y posicionamiento basado en satélites.

Ahora, el conocimiento obtenido a través de la investigación más reciente pretende 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 avanzados de ondas gravitacionales y satélites de monitoreo climático, los relojes cuánticos pueden mejorar la detección de sutiles señales del sistema terrestre. Además, proporcionan referencias temporales más precisas que pueden permitir nuevos niveles de medición para el aumento del nivel del mar, desplazamientos tectónicos y mapeo subterráneo.

En el mundo de la IA, mientras tanto, 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 cronometraje cuántico puede estabilizar procesadores cuánticos propensos a errores usados para aprendizaje automático. El control fiable de qubits, después de todo, depende de una temporización y coherencia de fase precisas.

Desde vehículos autónomos hasta drones y robots, todos dependen de la navegación GPS y de relojes locales. Por lo tanto, relojes cuánticos altamente precisos pueden habilitar la navegación “sin GPS”. También pueden ayudar a enjambres de robots a coordinarse mejor para tareas complejas como mapeo distribuido y búsqueda‑rescate.

Las comunicaciones son otro campo que puede beneficiarse mucho de estos relojes en términos de alcance y estabilidad. Las futuras redes inalámbricas y fotónicas también se beneficiarán, ya que requieren una temporización ultra‑precisa para la computación de borde de baja latencia y la transferencia 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 relojes atómicos para aeroespacial y defensa, y incluso computación cuántica a través de Quantinuum, formada por la fusión de Cambridge Quantum y Honeywell. 

La compañía opera principalmente a través de:

Aerospace Technologies

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

Industrial Automation

• Ofrece soluciones de automatización para operaciones inteligentes, sostenibles y seguras.
• Se dirige a industrias como petroquímica y ciencias de la vida.

Building Automation

• Entrega soluciones para garantizar instalaciones seguras y sostenibles.

Energy and Sustainability Solutions

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

Honeywell International (HON )

Honeywell tiene una capitalización de mercado de 154,5 mil millones de dólares, con sus acciones cotizando actualmente en máximos recientes de 241 $, un aumento del 6,4 % en lo que va del año. Posee 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 Q1 2025, la compañía reportó ventas de 9,8 mil millones de dólares y ganancias por acción de 2,22 $. Durante este período, Honeywell utilizó 2,9 mil millones de dólares para recompras de acciones, dividendos y gastos de capital.

“Honeywell comenzó el año de manera excepcional, superando las guías en todas las métricas, impulsado por un sólido crecimiento orgánico. Por tercer trimestre consecutivo, entregamos tanto crecimiento secuencial como interanual del backlog, impulsado por tasas de pedidos saludables y la continua demanda de los clientes por nuestras ofertas diferenciadas.”

– CEO Vimal Kapur

Conclusión

La cronometraje potenciada por la mecánica cuántica muestra que, con experimentos continuos, incluso los límites más fundamentales de la física pueden replantearse. 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 ingeniosas y un profundo conocimiento de la entropía, los investigadores están desafiando viejas suposiciones sobre los costos de energía y entropía y allanando el camino para una nueva era de sistemas hiperprecisos con impactos de gran alcance en tecnología, infraestructura, 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. Precision is Not Limited by the Second Law of Thermodynamics. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. 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. Measuring the Thermodynamic Cost of Timekeeping. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029