Medición de frecuencia de alta precisión

03.08.2021 - Suiza

Muchos experimentos científicos requieren mediciones de tiempo muy precisas con la ayuda de una frecuencia claramente definida. Ahora, un nuevo enfoque permite comparar directamente las mediciones de frecuencia en el laboratorio con el reloj atómico de Berna (Suiza).

Para muchos experimentos científicos, los investigadores actuales necesitan una frecuencia de referencia precisa que les permita calibrar las mediciones de tiempo realizadas por sus equipos. Entre estos experimentos se encuentran las investigaciones espectroscópicas -en las que se examinan en tiempo real las reacciones químicas entre moléculas- y los estudios físicos sobre las constantes naturales.

El acceso a exactamente este tipo de frecuencia de referencia de alta precisión podría convertirse pronto en un estándar para las instituciones de investigación suizas. En un proyecto conjunto financiado en el marco del programa Sinergia de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, investigadores de la ETH de Zúrich, la Universidad de Basilea, el Instituto Federal Suizo de Metrología (METAS) -el "guardián de las unidades de medida" de Suiza- y la Fundación SWITCH, que gestiona la red de datos académicos de Suiza, han demostrado que esta señal de referencia de precisión puede enviarse a través de la infraestructura de telecomunicaciones convencional.

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"Los primeros resultados muestran que esto permite realizar análisis de espectroscopia química 100 veces más precisos que antes", informa Stefan Willitsch, profesor de Química Física de la Universidad de Basilea y coordinador del proyecto. "Con esta precisión, las leyes de la naturaleza se verifican mediante mediciones espectroscópicas en moléculas con una exactitud sin precedentes", añade Frédéric Merkt, profesor de Química Física de la ETH de Zúrich.

Corrección continua

En concreto, el proyecto estableció una red de prueba que conecta el centro METAS de Wabern, cerca de Berna, con la Universidad de Basilea y la ETH de Zúrich. Un proceso inteligente sincroniza la señal de salida con el reloj atómico de METAS. Esta señal se transmite a través de la red de fibra óptica operada por SWITCH -que gestiona las infraestructuras de redes informáticas para las universidades suizas- a Basilea y Zúrich, donde los investigadores pueden utilizarla para calibrar sus dispositivos de medición.

"Para garantizar que la señal llegue a los investigadores con el nivel de precisión deseado, la transmisión debe ajustarse continuamente. Incluso la más mínima variación en la longitud del cable de fibra óptica -causada por vibraciones o cambios de temperatura- afecta a la frecuencia", explica Jacques Morel, Jefe del Laboratorio de Fotónica, Tiempo y Frecuencia de METAS. Por ello, la señal rebota desde Basilea y Zúrich hasta Berna, donde se corrige la señal de salida según sea necesario.

Alta calidad, menores costes

"En Suiza estamos empezando a establecer este tipo de red", afirma Jérôme Faist, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de la ETH de Zúrich, que ha aportado su experiencia en tecnología láser al proyecto. "Otros países como Italia, Alemania y Francia ya están un paso por delante en este ámbito".

En estos países, las frecuencias de referencia se han transmitido hasta ahora de dos maneras, cada una con sus propios inconvenientes específicos. O bien la señal se envía a través de un cable dedicado, que produce un resultado físico óptimo pero es caro, o bien la señal se transmite a través de la infraestructura existente del proveedor de telecomunicaciones. Aunque esto es mucho más barato, es técnicamente inferior porque la señal de referencia para medir el tiempo se transmite dentro de la banda C, es decir, a una frecuencia base similar a la del tráfico de datos. Esto no sólo deja la señal de referencia expuesta a posibles interrupciones por el resto del tráfico de datos, sino que bloquea un canal que normalmente se utilizaría para la transmisión de datos, lo que a su vez complica el funcionamiento.

"Ahora hemos desarrollado una tercera opción", explica Fabian Mauchle, director de proyectos de Switch: "Por razones de coste, utilizamos la red SWITCH existente. Pero en lugar de transmitir la señal de referencia en la banda C, físicamente óptima, que está ocupada en gran parte por el tráfico de datos, utilizamos la banda L, que sigue estando mayoritariamente descongestionada y tiene una frecuencia base diferente". Los resultados demuestran ahora que la banda L también es una opción viable para transmitir señales de referencia con una calidad excelente sin encontrar interrupciones por el tráfico de datos. Sin embargo, esto exigió que SWITCH realizara ciertas modificaciones en su infraestructura de red.

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