Redefinir el segundo: un reloj de celosía óptica japonés promete un sinfín de aplicaciones prácticas

El reloj japonés de celosía óptica de estroncio ha sido calificado como el “cronómetro definitivo”. Desarrollado por el físico Katori Hidetoshi, profesor de la Universidad de Tokio y director del Equipo de Investigación en Ingeniería del Espacio-Tiempo del Instituto Riken (Instituto de Investigación Física y Química), este reloj alcanza una precisión sin precedentes, medida en miles de millones de años. Su extraordinaria exactitud, que le permite detectar mínimas diferencias de altitud gracias a la teoría de la relatividad general de Einstein, abre enormes posibilidades como nuevo patrón para la medición del tiempo y como herramienta de gran utilidad en ámbitos como la exploración espacial, la investigación de terremotos y los sistemas de posicionamiento global.

Una breve historia del tiempo

En la Antigüedad, el ser humano medía el paso del tiempo observando el movimiento aparente de los cuerpos celestes. La división del día (una rotación completa de la Tierra) en fracciones cada vez más pequeñas dio lugar al concepto del segundo como una diminuta parte del día. Sin embargo, la medición precisa del tiempo no comenzó a desarrollarse hasta mucho más tarde.

En el siglo XVI, el astrónomo italiano Galileo Galilei (1564-1642) descubrió que un péndulo de longitud determinada oscila siempre con una frecuencia constante, un hallazgo que allanó el camino para que el matemático y físico neerlandés Christiaan Huygens (1629-1695) inventara el reloj de péndulo. (Por la misma época también comenzaron a desarrollarse los relojes portátiles de resorte.) Una nueva era en la medición precisa del tiempo se inició con la aparición de los relojes de cuarzo, cuyo funcionamiento se basa en la frecuencia constante con la que oscilan los cristales de cuarzo al aplicarles una corriente eléctrica. Algunos de los relojes de cuarzo de alta precisión actuales presentan un margen de error de apenas un segundo cada cien años.

El siguiente gran avance llegó en la segunda mitad del siglo XX con el desarrollo de los relojes atómicos. Estos miden el tiempo a partir de la frecuencia de la radiación electromagnética que un determinado átomo absorbe o emite al pasar de un nivel de energía a otro. En 1967, el reloj atómico de cesio-133 fue adoptado como patrón internacional para la medición del tiempo. Desde entonces, el segundo ya no se define en función del movimiento de la Tierra, sino como la duración de 9.192.631.770 ciclos de la radiación de microondas que provoca la transición entre dos niveles de energía del átomo de cesio-133. Se dice que los dispositivos de cesio más avanzados alcanzan una precisión relativa del orden de 1 X 10^-15, lo que equivale a desviarse tan solo un segundo cada 60 millones de años.

Los albores del reloj de celosia óptica

El reloj de celosía óptica es un reloj atómico de nueva generación que utiliza luz visible para alcanzar un nivel de precisión asombroso. La frecuencia de la luz visible es varios órdenes de magnitud superior a la de las microondas. Esto significa que en cada segundo se producen muchos más ciclos, lo que proporciona una escala de medida del tiempo mucho más precisa. Además, esta tecnología emplea estroncio, cuya frecuencia de resonancia es muy superior a la del cesio.

Katori propuso por primera vez el concepto del reloj de celosía óptica en 2001. Uno de sus principales objetivos era encontrar la forma de utilizar un gran número de átomos sin que las interacciones entre ellos provocaran perturbaciones o desviaciones en las mediciones. Era un problema que había desconcertado a los investigadores durante años.

En el reloj diseñado por Katori, los patrones de interferencia generados por haces láser ajustados a una frecuencia conocida como “longitud de onda mágica” crean una celosía óptica con aspecto de huevera. En ella quedan confinados de forma individual alrededor de un millón de átomos de estroncio, enfriados hasta una temperatura cercana al cero absoluto. Al promediar las oscilaciones de altísima frecuencia de estos átomos cuando absorben energía de un láser, esta tecnología proporciona una base mucho más estable y precisa para la definición del segundo.

Un modelo tridimensional que muestra los átomos atrapados en la “caja de huevos” formada por el rayo láser de un reloj de red óptica. (© Jiji)

Tras llevar a cabo una serie de mediciones de frecuencia de precisión ultraelevada, Katori y su equipo de investigación comenzaron a atraer la atención internacional por el potencial del reloj de celosía óptica para desempeñar un papel clave en la redefinición del segundo. Ya en 2006 fue reconocido como uno de los principales candidatos para convertirse en la próxima generación de patrones de referencia para la medición del tiempo. Sin embargo, por entonces el reloj de celosía óptica no era más que un enorme equipo instalado de forma permanente en un laboratorio de física. El siguiente objetivo del equipo era desarrollar un dispositivo que pudiera transportarse.

Con ese propósito, el grupo de Katori inició una colaboración con empresas privadas como Shimadzu y JEOL (Japan Electron Optics Laboratory). En noviembre de 2024 presentó un reloj de celosía óptica compacto con un volumen de 250 litros, una versión miniaturizada del modelo original de 920 litros. Este logro supuso un paso de gigante hacia la aplicación práctica de esta revolucionaria tecnología japonesa.

Una precisión asombrosa y aplicaciones sorprendentes

Los resultados obtenidos por Katori y sus colaboradores durante ese período suscitaron un gran interés en la comunidad científica internacional. En abril de 2020, el equipo utilizó con éxito dos relojes transportables de celosía óptica (predecesores del modelo presentado en 2024) para poner a prueba la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, según la cual el tiempo transcurre más rápido a mayor altitud, donde la gravedad es ligeramente más débil.

Los investigadores instalaron uno de los relojes en la base de la Tokyo Skytree y el otro en el mirador situado a 450 metros de altura. El experimento reveló que, tal como predecía la teoría de Einstein, el tiempo transcurría 4,26 nanosegundos al día más deprisa en el mirador que a nivel del suelo. Asimismo, demostró que la precisión de los relojes transportables, comparable a la del modelo de laboratorio, era suficiente para medir diferencias relativamente pequeñas de altitud mediante la teoría de Einstein. De hecho, se comprobó que la precisión de estas mediciones era equiparable a la alcanzada en recientes experimentos espaciales realizados con satélites.

El profesor Katori Hidetoshi durante una rueda de prensa celebrada el 12 de mayo de 2026 en Kawasaki, en la que se anunció un acuerdo con la Oficina Internacional de Pesas y Medidas para evaluar el reloj de celosía óptica como candidato para la redefinición del segundo. (© Jiji)

En febrero de 2015, el equipo de Katori comparó dos relojes de celosía óptica y comprobó que diferían entre sí en apenas un segundo cada 16.000 millones de años. En teoría, esto significa que un reloj de este tipo se desviaría solo un segundo a lo largo de un periodo equivalente a la edad del universo (unos 13.800 millones de años). El modelo más reciente alcanza una incertidumbre relativa del orden de 10^-18, lo que se traduciría en un error de apenas un segundo cada 30.000 millones de años. Sin duda, se trata del cronómetro definitivo.

En marzo de 2025, Shimadzu anunció el lanzamiento comercial del primer reloj de celosía óptica del mundo. El Aetherclock OC020, de 108,3 centímetros de alto, 114 centímetros de ancho y 65 centímetros de fondo, presenta una desviación de aproximadamente un segundo cada 10.000 millones de años. En el momento de su presentación, la empresa fijó un precio de venta recomendado de 500 millones de yenes (unos 3,3 millones de dólares estadounidenses al cambio de entonces) y se marcó como objetivo vender diez unidades en los tres años siguientes.

Tras demostrar el potencial práctico de esta tecnología, Shimadzu y Riken pudieron firmar un memorando de entendimiento con la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, que tiene previsto adoptar una nueva definición del segundo en 2030. En virtud del acuerdo, anunciado el 12 de mayo, las partes se comprometieron a colaborar en la investigación y las pruebas de demostración de relojes de celosía óptica. El dispositivo desarrollado por Katori competirá por convertirse en el patrón de referencia de la próxima generación frente a otras tecnologías, entre ellas el reloj de ion único desarrollado por equipos de investigación de Europa y Estados Unidos. No obstante, el reloj de celosía óptica está considerado uno de los principales candidatos gracias a su mayor estabilidad.

El memorando despertó un gran interés al representar un importante paso hacia la adopción del reloj de celosía óptica de estroncio como patrón internacional. En la rueda de prensa celebrada tras la firma, Katori declaró: “Me alegra pensar que la herramienta que hemos desarrollado para comparar el tiempo haya contribuido, aunque sea un poco, a acelerar la redefinición del segundo”.

Posibilidades para la vigilancia volcánica y sísmica

Katori obtuvo el doctorado en Ingeniería Física en la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad de Tokio en 1994. Posteriormente fue investigador visitante en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania), profesor asociado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tokio e investigador principal del programa CREST de investigación estratégica básica de la Agencia Japonesa para la Ciencia y la Tecnología, antes de incorporarse en 2010 como profesor a su alma mater. Entre las distinciones que ha recibido figuran el Premio Conmemorativo Nishina (2013), el Premio de la Academia de Japón (2015) y el Premio Honda (2022), concedido por la Fundación Honda. En la actualidad está considerado uno de los candidatos con más posibilidades de obtener el Premio Nobel.

El 17 de noviembre de 2022, durante la ceremonia de entrega del Premio Honda celebrada en Tokio, Katori pronunció una conferencia titulada “La ciencia impulsada por la curiosidad como camino hacia el futuro”. En la introducción afirmó: “Con el paso de los años, siento cada vez más la necesidad de utilizar esta tecnología [de celosía óptica] para dejar un legado que beneficie a la sociedad y a la humanidad”.

Y, de hecho, además de allanar el camino para una redefinición del segundo, el revolucionario reloj desarrollado por Katori podría dar lugar a numerosas aplicaciones tecnológicas de gran utilidad.

Como ya se ha señalado, el reloj de celosía óptica permite medir incluso pequeñas diferencias de altitud. De hecho, los modelos más avanzados de precisión ultraelevada son capaces de detectar desniveles de apenas unos centímetros. Esto convierte a esta tecnología en una herramienta especialmente prometedora para la geodesia relativista, un campo de investigación emergente.

Una de las aplicaciones que se estudian actualmente en Japón es el uso de relojes de celosía óptica como sensores de precisión ultraelevada para vigilar la actividad volcánica y sísmica. Se sabe que, antes de una erupción, los volcanes experimentan cambios en su relieve debido al ascenso del magma y a otras presiones internas. Mediante el despliegue y la interconexión de múltiples relojes de celosía óptica sería posible detectar variaciones muy sutiles que resultan difíciles de identificar con los métodos de observación convencionales. Estas redes podrían utilizarse tanto para la vigilancia continua de la actividad volcánica como para mejorar la detección de otras deformaciones de la corteza terrestre de interés para la investigación y la predicción de terremotos.

Una nueva herramienta para la observación y el seguimiento

Además de sus aplicaciones en la prevención de desastres, el reloj de celosía óptica ofrece un enorme potencial para la observación y la exploración del espacio. Más cerca de la Tierra, los ingenieros estudian su posible contribución a la evolución de los sistemas de posicionamiento global, las telecomunicaciones de próxima generación, la conducción autónoma y otras tecnologías estrechamente ligadas a la infraestructura tecnológica que sustenta nuestra vida cotidiana. El reloj definitivo de Katori está llamado a convertirse no solo en el nuevo patrón para la medición del tiempo, sino también en una herramienta esencial para observar y monitorizar con una precisión sin precedentes el mundo en el que vivimos.

Resumen del experimento en la torre Tokyo Skytree. (Por cortesía del profesor Katori Hidetoshi, Universidad de Tokio)

En un diálogo con el profesor emérito de la Universidad de Tokio Murakami Yōichirō, organizado por la Fundación Honda, Katori afirmó:

“Cuando elegí mi tema de investigación, lo primero que pensé fue que quería dedicarme a un campo alejado de la competencia. Pero también quería escoger un tema interesante con el que el equipo disfrutara trabajando. Ese fue mi punto de partida. Al mismo tiempo, tenía claro que la investigación debía aportar algo a la sociedad. Pensaba que nuestro trabajo de investigación básica podría dar frutos con beneficios reales en un plazo de unos veinte años. Y me produce una enorme satisfacción comprobar que, efectivamente, después de veinte años nuestra investigación ha avanzado hasta el punto de empezar a devolver esos beneficios a la sociedad”.

El desarrollo de relojes cada vez más precisos está estrechamente ligado a la evolución de nuestra infraestructura social. El futuro que imaginamos para la humanidad podría depender, en buena medida, de la precisión con la que seamos capaces de medir el tiempo. Esa es la enorme expectativa que despierta el reloj de celosía óptica de estroncio de precisión ultraelevada concebido por Katori Hidetoshi.

(Imagen del encabezado: El Aetherclock OC020 de Shimadzu Corp., el primer reloj de celosía óptica comercializado del mundo. Fotografiado el 5 de marzo de 2025. © Jiji.)