Un invento japonés se acerca a definir la hora mundial
Un reloj que mide aproximadamente 429 billones de vibraciones de la luz por segundo está impulsando una iniciativa internacional para reemplazar el actual patrón horario mundial. La tecnología, propuesta en 2001 por Hidetoshi Katori, físico de la Universidad de Tokio, ya es un producto comercial y forma parte de una colaboración con la organización responsable de coordinar los patrones internacionales de medición.
Contenido
- Un invento japonés se acerca a definir la hora mundial
- Por qué el segundo actual se está convirtiendo en un límite
- Cómo una red de luz mantiene inmóviles los átomos
- ¿Una referencia atómica o una combinación?
- Investigadores japoneses y franceses proponen cómo compararlas
- Los relojes ópticos de Japón ya ayudan a medir el tiempo
- Del laboratorio a un reloj comercial
- Los mejores relojes también necesitan mejores conexiones
- Los pasos previos a una posible decisión en 2030
- Puntos clave
RIKEN, Shimadzu Corporation y la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) firmaron un memorando de entendimiento en Kawasaki, Japón, el 12 de mayo de 2026, para trabajar en aplicaciones prácticas de los relojes ópticos de red. El anuncio de la colaboración de la universidad menciona entre los asistentes al presidente de RIKEN, Makoto Gonokami; al director de fotónica avanzada, Koichiro Tanaka, y a Katori.
El acuerdo se firmó después de que Shimadzu lanzara en abril de 2025 el Aetherclock OC020, que la empresa describe como el primer reloj óptico de red comercial del mundo. La precisión de esta tecnología suele expresarse como un error equivalente a aproximadamente un segundo en 10.000 millones de años.
El objetivo internacional es que en 2030 se tome una posible decisión sobre una nueva definición del segundo, que se aplicaría posteriormente. Los científicos aún deben acordar la definición y demostrar que los laboratorios pueden reproducirla y compartirla de forma confiable.
Para los usuarios comunes, el segundo conservaría su duración habitual. El cambio propuesto se refiere a la referencia física utilizada para medirlo. Para los laboratorios, los servicios nacionales de hora y los sistemas que dependen de una sincronización precisa, permitiría medir ese mismo intervalo con mucha más precisión.
Por qué el segundo actual se está convirtiendo en un límite
El segundo actual se define fijando en exactamente 9.192.631.770 vibraciones por segundo una frecuencia de microondas determinada de los átomos de cesio 133. Contar esa cantidad de ciclos equivale a un segundo.
Los relojes atómicos funcionan ajustando la radiación electromagnética a una frecuencia que los átomos absorben. Un átomo puede pasar de un estado de energía a otro, en un proceso llamado transición. La frecuencia de la radiación asociada a esa transición ofrece una referencia reproducible y permite que relojes construidos en distintos lugares midan la misma unidad.
Los relojes ópticos utilizan luz en lugar de microondas. En un reloj óptico de red de estroncio, la luz pertinente vibra unas 429 billones de veces por segundo, aproximadamente 47.000 veces más que la frecuencia de referencia del cesio. Esto permite subdividir el tiempo con mucha más precisión, aunque controlar las perturbaciones sigue siendo esencial para obtener un reloj preciso.
La guía de redefinición de la BIPM señala que algunos patrones ópticos ya tienen incertidumbres sistemáticas unas 100 veces menores que las de los mejores relojes de fuente de cesio. La incertidumbre sistemática describe cuánto podría desviarse una medición por efectos como el entorno del reloj o imperfecciones en su funcionamiento.
El problema práctico es que los científicos ya pueden construir relojes que superan el rendimiento de la referencia que define su unidad. Una nueva definición busca ofrecer una mejora inmediata de entre 10 y 100 veces en la precisión, sin dejar de ser compatible con el segundo actual.
Cómo una red de luz mantiene inmóviles los átomos
El método de Katori aborda una dificultad básica: es más difícil medir los átomos cuando están en movimiento. Su movimiento cambia la forma en que interactúan con las crestas y los valles de una onda de luz, lo que introduce desviaciones en la frecuencia medida.
Primero, los investigadores enfrían los átomos hasta acercarlos al cero absoluto, menos 273,15 grados Celsius, para reducir su movimiento. Después los atrapan con luz láser, separada del láser que mide la transición del reloj.
Los haces láser que viajan en direcciones opuestas se superponen y crean una onda estacionaria, con zonas alternas de luz más intensa y menos intensa. En condiciones adecuadas, los átomos quedan atrapados en una disposición de pequeños espacios. Esta disposición es la red óptica.
Se pueden medir juntos muchos átomos atrapados. Promediar sus señales reduce las fluctuaciones aleatorias con más rapidez que medir repetidamente un solo átomo. Otro de los principales diseños de relojes ópticos, en cambio, confina un único átomo con carga eléctrica, o ion, mediante campos eléctricos. Ambos métodos forman parte del debate sobre el futuro del segundo.
El Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones de Japón (NICT) señala que los laboratorios nacionales de metrología desarrollan relojes ópticos de red de estroncio e iterbio. Su función ya va más allá de los experimentos: ayudan a calibrar la escala de tiempo atómico internacional.
¿Una referencia atómica o una combinación?
La decisión central es si el nuevo segundo debe basarse en una sola transición óptica o en una combinación de varias. El alto rendimiento del estroncio lo convierte en una de las opciones, junto con otras transiciones atómicas e iónicas.
La opción 1 seguiría el modelo actual: elegir una transición y asignarle un valor numérico exacto de frecuencia. Su principal ventaja es la sencillez. Los laboratorios tendrían una única referencia y los relojes que usaran otras transiciones podrían servir como patrones secundarios.
La elección de esa transición exigiría un acuerdo internacional entre las instituciones que desarrollan distintos relojes. Si más adelante surgiera una referencia mucho mejor, también podría aumentar la presión para volver a redefinir el segundo.
La opción 2 definiría el segundo mediante un promedio geométrico ponderado de varias frecuencias ópticas. En términos sencillos, varias referencias atómicas contribuirían a un único valor de definición, y algunas tendrían más peso que otras. El promedio matemático combina las frecuencias mediante multiplicaciones y potencias, en lugar de sumarlas de la forma habitual.
La BIPM describe versiones con pesos fijos y otras en las que los pesos y las transiciones participantes podrían cambiar a medida que mejore la tecnología. Esa flexibilidad permitiría incorporar relojes mejores sin reiniciar todo el proceso de redefinición. También exigiría reglas más complejas y dificultaría que un laboratorio aislado reprodujera la definición por su cuenta.
Investigadores japoneses y franceses proponen cómo compararlas
El NICT y el Observatorio de París han desarrollado un marco matemático y gráfico común para analizar ambas opciones. Su anuncio de diciembre de 2025 señala que el trabajo también propone un método objetivo para calcular los pesos a partir de datos de medición recopilados en todo el mundo.
El estudio, de Jérôme Lodewyck y Tetsuya Ido, se publicó en Metrologia el 14 de noviembre de 2025 con el título Propiedades de una definición del segundo del SI basada en varias transiciones ópticas.
Su explicación parte de una distinción útil: la naturaleza determina la proporción entre dos frecuencias atómicas, mientras que las personas eligen la unidad con la que las expresan. Un gráfico puede mostrar la proporción de frecuencias medida como una línea y la definición elegida como otra. Su intersección determina las frecuencias numéricas.
En este marco, una definición basada en una sola transición es un caso particular del enfoque combinado: una transición recibe todo el peso y las demás, ninguno. Así, los investigadores pueden comparar las propuestas en un mismo esquema.
El método de ponderación propuesto utiliza las comparaciones de frecuencias recopiladas y sus incertidumbres, en lugar de seleccionar solo algunos resultados. El NICT señala que esto reduce las decisiones subjetivas sobre qué mediciones deben determinar la contribución de cada transición.
El Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia (CCTF), encargado de los debates técnicos sobre los patrones horarios internacionales, no se decantó por ninguna de las opciones en su reunión del 18 y 19 de septiembre de 2025. El NICT indicó que los participantes acordaron que la comprensión del enfoque combinado había avanzado lo suficiente como para empezar a debatir la elección de un método.
Los relojes ópticos de Japón ya ayudan a medir el tiempo
El programa de relojes ópticos del NICT muestra cómo esta tecnología ha pasado a formar parte de los sistemas operativos de medición del tiempo. La transición del estroncio 87 a una longitud de onda de 698 nanómetros se convirtió en una representación secundaria del segundo en octubre de 2006. Las mediciones del NICT empezaron a contribuir al valor internacional adoptado para la frecuencia del estroncio en septiembre de 2012.
En 2016, el NICT generó una señal horaria continua basada en un reloj óptico. Un máser de hidrógeno proporcionaba una señal continua confiable, mientras las mediciones del reloj óptico ajustaban su frecuencia. En una prueba de cinco meses, los intervalos de segundo resultantes se acercaron más a la definición del SI que los del Tiempo Universal Coordinado (UTC).
El NICT reanudó esta escala de tiempo óptica en 2021, y ahora contribuye a la estabilidad de la hora estándar de Japón. Combinar una señal continua confiable con mediciones ópticas precisas ayuda a mantener la exactitud horaria sin depender de conexiones ininterrumpidas con otros servicios de hora.
El reloj NICT-Sr1 del instituto fue reconocido como patrón secundario de frecuencia en noviembre de 2018. Al mes siguiente, empezó a aportar datos para calibrar el Tiempo Atómico Internacional (TAI), que constituye la base del UTC y de las escalas horarias nacionales.
Las comparaciones internacionales también se han ampliado. En 2020, el NICT comparó su reloj de estroncio con un reloj óptico de red de iterbio del instituto nacional de metrología de Italia, el INRIM, mediante interferometría de muy larga base, una técnica asociada a la radioastronomía. El experimento confirmó la concordancia entre relojes ópticos de distintos continentes.
Del laboratorio a un reloj comercial
El relato del desarrollo comercial de Shimadzu describe el trabajo de ingeniería necesario para llevar los relojes ópticos de red fuera de los laboratorios especializados. Cuando Katori se acercó a la empresa en 2015, el equipo ocupaba una gran sala de laboratorio.
Uno de los primeros objetivos fue comparar relojes a nivel del suelo y en la plataforma de observación de Tokyo Skytree, situada 450 metros más arriba. Para el experimento, que comenzó en 2018, los ingenieros redujeron el volumen del reloj a 920 litros, aproximadamente una vigésima parte de su tamaño original.
Los relojes midieron que el tiempo transcurría 4,26 nanosegundos más rápido por día en la plataforma de observación. Un nanosegundo equivale a una milmillonésima parte de un segundo. La diferencia reflejaba la relatividad general: los relojes en potenciales gravitatorios distintos avanzan a ritmos ligeramente diferentes.
El desarrollo comercial planteó nuevas exigencias. El sistema utilizaba seis tipos de láser, cada uno de los cuales requería un control preciso. Shimadzu modificó su objetivo de tamaño, de 400 litros a 250 litros, en 2020 y desarrolló funciones de recuperación automática para responder a las interrupciones.
Yuya Sakai, subgerente del Grupo de Aplicaciones Láser de Shimadzu, que trabajó en el software, explicó por qué era necesario el ajuste automático:
«Si la longitud de onda de cualquiera de los seis láseres se desajusta, el sistema podría dejar de funcionar como reloj».
Shimadzu afirma que su software puede restablecer las condiciones de los láseres y reanudar el funcionamiento tras perturbaciones ambientales. La empresa señala que ha recibido consultas de instituciones de investigación de todo el mundo y que la mayor duración de los láseres y una mejor resistencia a las vibraciones siguen siendo aspectos que requieren mejoras.
Los mejores relojes también necesitan mejores conexiones
Los laboratorios nacionales de hora deben comparar sus relojes para crear una escala de tiempo internacional compartida. La precisión de un reloj solo resulta útil para el conjunto de la red si la conexión puede transmitirla entre instituciones.
La BIPM señala que la transferencia horaria actual mediante sistemas mundiales de navegación por satélite, incluido el GPS, es suficiente para aprovechar los mejores patrones de microondas en periodos prácticos de promediación de alrededor de un día. Los relojes ópticos son entre 10 y 100 veces más precisos y exigen mejores conexiones.
Las conexiones de fibra óptica han demostrado el rendimiento necesario en distancias de unos 1.000 kilómetros. Conectar continentes sigue siendo más difícil. Los investigadores estudian intercambios avanzados de señales en ambas direcciones, enlaces ópticos a través del espacio y relojes ópticos transportables.
Los equipos de cesio actuales seguirían teniendo una función después de la redefinición. Las fuentes de cesio pasarían a ser patrones secundarios, sus mediciones seguirían siendo trazables mediante la publicación Circular T de la BIPM y podrían continuar contribuyendo al UTC.
La red internacional de relojes ya combina unos 450 equipos, entre ellos relojes comerciales de cesio y máseres de hidrógeno. Los patrones ópticos mejorarían la referencia que guía esta red, mientras los equipos actuales continuarían funcionando.
Los pasos previos a una posible decisión en 2030
La hoja de ruta internacional actualizada establece que la decisión dependerá de que se cumplan los requisitos, no solo del calendario. Ocho criterios obligatorios y seis condiciones complementarias abarcan aspectos como la confiabilidad de los patrones ópticos, las comparaciones internacionales, las contribuciones al tiempo atómico y la distribución de la nueva unidad entre los usuarios.
Las etapas clave son:
- 2022: La Conferencia General de Pesas y Medidas aprobó una política para trabajar en una redefinición en 2030.
- 2026: Está previsto que la conferencia evalúe los avances y la continuidad del trabajo hacia una propuesta.
- 2028 y 2029: El CCTF evaluará el grado de preparación, reducirá las opciones y finalizará una propuesta.
- 2030: La conferencia podría decidir la definición y la fecha de aplicación si se cumplen los criterios obligatorios y se alcanza un consenso.
La definición final y la fecha de aplicación aún no se han decidido. Las autoridades nacionales también podrían tener que revisar las leyes que vinculan la hora legal con la definición actual.
La contribución de Japón abarca ahora desde la invención del método de red óptica y los aportes operativos al tiempo internacional hasta los equipos comerciales y la investigación sobre cómo elegir la propia definición. El siguiente paso es convertir esos avances en un patrón que los laboratorios de todo el mundo puedan reproducir y compartir.
Puntos clave
- RIKEN, Shimadzu y la BIPM firmaron un acuerdo de colaboración el 12 de mayo de 2026 para apoyar el uso práctico de los relojes ópticos de red.
- Shimadzu lanzó el Aetherclock OC020 en abril de 2025 y lo describió como el primer reloj óptico de red comercial.
- El nuevo segundo propuesto utilizaría frecuencias ópticas y buscaría una mejora inmediata de entre 10 y 100 veces en la precisión.
- Los científicos estudian si conviene definirlo con una sola transición óptica o con una combinación ponderada de varias.
- Los relojes ópticos de Japón ya contribuyen al tiempo atómico internacional y a la estabilidad de la hora estándar del país.
- Es posible que se tome una decisión en 2030, sujeta a un acuerdo y a la preparación técnica, y que se aplique posteriormente.
- Los relojes de cesio actuales seguirían siendo útiles y continuarían contribuyendo a la medición internacional del tiempo.
