A principios de este año, el Ministerio de Defensa del Reino Unido declaró que el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa del Reino Unido está desarrollando el primer reloj cuántico del país (un reloj atómico realizado utilizando tecnología cuántica) para mejorar las capacidades de recopilación de inteligencia militar y de vigilancia.

La transición de los relojes atómicos del laboratorio al campo de batalla marca que la precisión temporal se ha convertido en un factor competitivo clave en la ciencia y la tecnología modernas, así como en la defensa nacional. Desde la guía precisa de misiles hasta la interconexión de satélites, desde las contramedidas electrónicas hasta el combate no tripulado, los relojes atómicos, con su precisión máxima de "menos de un segundo de error en decenas de millones de años", se han convertido en un componente clave de la competencia tecnológica entre las grandes potencias.

¿Cómo logran los relojes atómicos "ganar con el tiempo"? ¿Y cómo la competencia en torno a los relojes atómicos genera revuelo en el mundo?

Captando el pulso del tiempo

La gente suele usar la palabra "instante" para describir la fugacidad del tiempo. Convirtiendo la definición antigua, un instante equivale aproximadamente a 0,018 segundos. Hay unos 12.000 "movimientos de dedos", 240.000 "momentos" y 4.800.000 "instantes" en un día y una noche. Esta definición del tiempo, que supera la percepción y la capacidad, es la simple, primitiva y romántica imaginación de los antiguos sobre la "observación del tiempo". Al mismo tiempo, ha inspirado el pensamiento racional humano y la exploración científica de los estándares de tiempo.

Históricamente, la unidad de tiempo «segundo» se definía como 1/86.400 del tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta (un día solar). Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los científicos descubrieron que la rotación terrestre no es estable y que los días solares no son exactamente iguales a lo largo del año. Por ello, en 1956, basándose en la ley de la revolución terrestre alrededor del Sol, el Sistema Internacional de Unidades (SIU) «segundo» se revisó a 1/31.556.925,9747 del tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta al Sol. Esta definición se aprobó en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas en 1960. Sin embargo, el error de medición del tiempo causado por la inestabilidad de la rotación terrestre no se solucionaba con la revolución terrestre, y también existían problemas con la dificultad de reproducir la revolución terrestre para fines de medición.

Observar el tiempo con mayor precisión es inseparable del desarrollo de la física atómica y la mecánica cuántica.

Un átomo es la unidad básica que compone la materia, y su estructura se divide en un núcleo y electrones extranucleares. Estos electrones se mueven alrededor del núcleo siguiendo las leyes de la mecánica cuántica, distribuyéndose en diferentes órbitas electrónicas. Imaginemos que dentro de un átomo existen muchos "pasos" diferentes, y que los electrones pueden saltar entre ellos. Este tipo de salto se denomina transición de nivel de energía cuántica. Cuando se produce una transición, el electrón salta de un paso a otro, como un péndulo en el mundo macroscópico, emitiendo un sonido estable de "tic-tac" y radiando ondas electromagnéticas con frecuencias extremadamente estables.

Los diferentes tipos de átomos tienen frecuencias de oscilación únicas. Cuando los átomos se encuentran bajo radiación electromagnética de esta frecuencia, los electrones que orbitan en su interior experimentan transiciones de niveles de energía cuánticos. Los relojes atómicos, diseñados con base en este fenómeno cuántico, pueden definir el tiempo midiendo las ondas electromagnéticas emitidas durante las transiciones de niveles de energía.

A finales de la década de 1940, la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos desarrolló con éxito el reloj molecular de amoníaco. En 1955, el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido desarrolló el primer reloj atómico de cesio del mundo, lo que marcó el inicio oficial de la era de los relojes atómicos. En comparación con los métodos tradicionales de medición del tiempo basados en fenómenos astronómicos, los relojes atómicos no se modifican debido a cambios de ubicación geográfica ni de hora, lo que demuestra una mayor consistencia y estabilidad.

En 1967, la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas adoptó el tiempo atómico para definir el «segundo», es decir, 9.192.631.770 veces el período de transición entre dos niveles de energía hiperfina del estado fundamental del isótopo cesio-133, sin interferencias externas. Hasta la fecha, la definición de «segundo» se mantiene mediante el reloj de fuente atómica de cesio, más avanzado.

Ganando en el campo de batalla moderno

La medición precisa del tiempo es fundamental para mejorar la eficiencia de la modernización de armamento y equipo. Como elemento fundamental, los relojes atómicos poseen una precisión de medición del tiempo extremadamente alta y pueden mejorar significativamente la coordinación, la precisión y la autonomía de armamento y equipo, desempeñando un importante papel estratégico. Hoy en día, los relojes atómicos se han utilizado ampliamente en equipos como buques de guerra, aeronaves y misiles, convirtiéndose en el "corazón del tiempo" indispensable en el proceso de modernización de armamento y equipo.

Navegación, posicionamiento y ataques de precisión. El sistema de navegación de los misiles balísticos tradicionales depende en gran medida de la navegación inercial y las señales de posicionamiento satelital. En un entorno bélico, las señales satelitales son susceptibles a interferencias electrónicas, pérdida de señal o ataques de suplantación de identidad, lo que afecta la precisión y estabilidad de los misiles balísticos. Por ejemplo, los misiles intercontinentales más rápidos pueden alcanzar una velocidad de 8800 metros por segundo. Cuando se interfiere con la señal GPS, incluso con una desviación de tan solo 0,3 segundos, la precisión del ataque se desvía del objetivo en unos 3 kilómetros. La introducción de relojes atómicos proporciona a los misiles capacidades de sincronización automática de altísima precisión, lo que les permite lograr una navegación y un posicionamiento precisos incluso cuando el GPS no está disponible.

El sistema de navegación por satélite GPS de Estados Unidos adopta una combinación de relojes atómicos de cesio y rubidio, con un rendimiento estable y alta precisión. Rusia comenzó con el sistema de navegación por satélite GLONASS en la década de 1980. En la etapa inicial, estaba equipado con relojes atómicos de cesio, y ahora ha entrado en la era de los relojes atómicos de hidrógeno. Los relojes atómicos de hidrógeno en sus satélites de la serie GLONASS-K2 tienen una estabilidad de 1×10⁻¹⁴ por día. El sistema Galileo de la Unión Europea utiliza principalmente relojes atómicos de rubidio y relojes atómicos pasivos de hidrógeno, buscando una mayor precisión y confiabilidad. El desarrollo de la tecnología de relojes atómicos no solo ha promovido la modernización de los sistemas de navegación por satélite en varios países, sino que también ha proporcionado un sólido punto de referencia temporal para la guía de precisión, demostrando el papel clave de apoyo de los relojes atómicos en el campo de aplicación militar moderno.

Sincronización horaria de alta precisión. En vísperas de una batalla importante, para facilitar acciones unificadas, los soldados siempre sincronizaban sus relojes con antelación para corregir la hora. En la guerra moderna, los relojes atómicos han sustituido la ceremonia de sincronización horaria basada en los relojes mecánicos, permitiendo que los engranajes de la maquinaria bélica funcionen sin el más mínimo error en minutos y segundos. Especialmente en la transmisión de datos de comunicaciones militares, los relojes atómicos pueden proporcionar una sincronización horaria de altísima precisión, mejorando considerablemente la fiabilidad y la seguridad de los sistemas de comunicación militar. El sistema de comunicación satelital "MILSTAR" de Estados Unidos está equipado con relojes atómicos de alta precisión, lo que proporciona una referencia horaria fiable para las comunicaciones militares.

Gracias a su excepcional sincronización horaria de alta precisión, los relojes atómicos han extendido sus aplicaciones en el ámbito militar a múltiples aspectos, abarcando campos clave como las contramedidas electrónicas, la seguridad de redes y la defensa antimisiles. En el ámbito de las contramedidas electrónicas, la alta precisión de sincronización de los relojes atómicos puede mejorar significativamente la eficiencia en la prevención y la antiinterferencia; en el ámbito de la seguridad de redes, los relojes atómicos pueden proporcionar una referencia temporal más fiable para las comunicaciones cifradas; y en el ámbito de la defensa antimisiles, pueden mejorar eficazmente la velocidad de respuesta y la precisión del sistema de alerta temprana. Los relojes atómicos se están convirtiendo gradualmente en un componente esencial de los sistemas de armas modernos, proporcionando un soporte temporal crucial para diversas plataformas de combate.

Se espera que la miniaturización y portabilidad de los relojes atómicos se incorporen a las aplicaciones tácticas. Los relojes atómicos transportables y de alta precisión, así como los equipos miniaturizados o incluso a escala de chip, pueden proporcionar una fuente de tiempo fiable y estable, garantizando una medición precisa del tiempo en diversos entornos complejos. Desde principios del siglo XXI, con la llegada de los relojes atómicos a escala de chip, la precisión de guiado de los misiles ha mejorado considerablemente. El reloj atómico CPT, desarrollado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos, basado en el principio de captura coherente de población atómica, es incluso más pequeño que un grano de arroz y puede desplegarse en múltiples plataformas, como satélites, misiles y buques de guerra, lo que mejora considerablemente la precisión de posicionamiento de las armas. Actualmente, los relojes atómicos militares se están desarrollando rápidamente en las áreas de investigación de mayor precisión, menor volumen y menor consumo de energía.

En 2022, el nuevo reloj óptico a bordo, desarrollado en Estados Unidos, superó problemas clave como la sensibilidad de los relojes ópticos de alta precisión al tamaño general y a entornos marinos complejos, y funcionó de forma continua durante 20 días en buques de guerra en el océano Pacífico. Su rendimiento es comparable al de los relojes atómicos de cesio de laboratorio, lo que demuestra un enorme potencial de aplicación militar.