En lo más alto de una montaña, un reloj atómico marca la hora con una precisión asombrosa. A pocos metros más abajo, otro reloj idéntico hace lo mismo. Pero, para sorpresa de la física clásica, ambos marcan tiempos ligeramente distintos. Esta diferencia minúscula, provocada por la gravedad, ha sido comprobada con experimentos terrestres. Lo que hasta ahora no se había logrado era comprobar si estos efectos gravitacionales pueden entrelazarse con las leyes cuánticas de forma observable. Hoy, esa posibilidad ya no pertenece únicamente a la ciencia ficción.
Un equipo de físicos ha desarrollado una propuesta experimental que utiliza redes cuánticas de relojes entrelazadospara explorar un terreno inexplorado: cómo interactúa la teoría cuántica con la curvatura del espacio-tiempo. En concreto, el trabajo demuestra que la interferencia entre relojes atómicos distribuidos a distintas alturas puede usarse como detector del efecto de la gravedad sobre sistemas cuánticos. Esto no solo representa una nueva forma de pensar la gravedad, sino que también podría ser el primer paso hacia una teoría unificada entre lo cuántico y lo relativista.
El reto de unir dos teorías que no se hablan
Dos pilares sostienen la física moderna: la mecánica cuántica y la relatividad general. La primera explica el comportamiento de la materia y la energía a escalas diminutas; la segunda, cómo se deforman el espacio y el tiempo ante masas y energías enormes. Ambas han sido confirmadas en sus respectivos dominios, pero no se integran de forma natural. En palabras del paper, "la interfaz entre la teoría cuántica y la gravedad sigue siendo una de las principales cuestiones abiertas en la física".
Hasta ahora, los intentos de combinar ambas teorías han sido puramente teóricos. Lo que este nuevo estudio propone es algo diferente: un experimento concreto, viable con tecnología actual, que permitiría poner a prueba esa conexión. Para ello, se basa en la capacidad de los relojes atómicos de registrar el paso del tiempo con una precisión tan extrema que pueden detectar incluso pequeñas diferencias provocadas por la curvatura del espacio-tiempo terrestre.
El concepto de tiempo propio en superposición
La clave está en lo que se conoce como tiempo propio, es decir, el tiempo que experimenta un objeto a lo largo de su trayectoria en un campo gravitatorio. Si dos relojes están a distintas alturas, el tiempo transcurre ligeramente más rápido para el que está más alejado del centro de la Tierra. Esto se ha medido, por ejemplo, con relojes separados por apenas unos metros.
Pero la pregunta que se hacen los autores es: ¿puede un reloj cuántico existir en superposición entre varias alturas, y registrar al mismo tiempo varios tiempos propios diferentes? Esa posibilidad, que desafía cualquier intuición clásica, es precisamente lo que haría falta para comprobar cómo afecta la gravedad al comportamiento cuántico. Según el artículo, "la interferencia de tiempos propios puede demostrarse con relojes entrelazados combinados con mediciones no locales".
Redes cuánticas para medir lo imposible
Para lograrlo, el equipo propone usar redes cuánticas que conectan relojes atómicos distribuidos en diferentes ubicaciones. Estas redes no solo sirven para sincronizar relojes o transmitir información, sino que permiten generar estados entrelazados, en los que varios relojes comparten una única función de onda. Así, se puede construir una especie de "reloj cuántico distribuido", cuya evolución depende del tiempo propio en cada nodo de la red.
En el experimento propuesto, se distribuye un reloj entre tres ubicaciones distintas utilizando un tipo especial de entrelazamiento llamado estado W. Esto permite que el reloj esté, de forma coherente, en tres lugares a la vez, y que experimente tres flujos de tiempo diferentes. Después de cierto tiempo de evolución, los investigadores aplican un conjunto de operaciones para leer la información interferométrica acumulada. Lo que buscan es un patrón de interferencia que revele la diferencia entre los tiempos propios.
Los autores explican que “la observable resultante depende de la interferencia entre diferentes tiempos propios, y solo puede explicarse si se tienen en cuenta tanto la teoría cuántica como la relatividad general”. Esta interferencia no se puede interpretar como un simple retraso o adelanto, sino que es una verdadera señal cuántica sensible a la curvatura del espacio-tiempo.
Más allá del Newton: la curvatura sí importa
Un aspecto innovador del trabajo es que no se conforma con el llamado límite newtoniano (donde la gravedad se trata como una simple fuerza). En cambio, apunta a detectar efectos post-newtonianos, es decir, auténticas señales de la curvatura del espacio-tiempo. Esto se logra distribuyendo los relojes a diferentes alturas con diferencias de kilómetros, lo que hace visibles los efectos no lineales de la gravedad en la evolución cuántica del sistema.
En una simulación incluida en el artículo, los autores muestran cómo tres relojes colocados en la superficie terrestre, a 1 km y a 2 km de altura, generarían una señal de interferencia con un patrón distintivo. Específicamente, “la observable medida ⟨Πx⟩ para cualquier elección de x exhibiría oscilaciones con tres frecuencias”, correspondientes a las combinaciones de tiempos propios en los tres puntos. Incluso pequeñas desviaciones en estas frecuencias revelarían la presencia de la curvatura del espacio.
Implicaciones fundamentales para la física
Este experimento no solo sirve para probar ideas técnicas. También tiene implicaciones profundas para los fundamentos mismos de la mecánica cuántica. Por ejemplo, permite verificar si los principios de linealidad y unitariedad, que son esenciales para la evolución de sistemas cuánticos, se mantienen válidos en presencia de gravedad. Según el paper, “el resultado revela Uc(τ₁)Uc†(τ₂) de forma determinista en el caso entrelazado, y con cierta probabilidad finita en el caso de postselección”.
Además, el protocolo permite comprobar la regla de Born, uno de los principios más básicos de la teoría cuántica, que determina cómo se relacionan las amplitudes de probabilidad con los resultados medidos. Si se encontraran desviaciones en este principio al analizar interferencias de tres caminos, se estaría frente a una señal de nueva física.
Por si fuera poco, los investigadores también exploran cómo mejorar la sensibilidad del experimento utilizando estados GHZ, una forma de entrelazamiento colectivo que amplifica la señal al implicar a muchos átomos en cada nodo. Esto no solo mejora la precisión, sino que reduce el tiempo de observación necesario, facilitando la implementación práctica del experimento.
Una puerta experimental a lo desconocido
En última instancia, lo que este estudio propone es una forma completamente nueva de hacer física fundamental, utilizando herramientas de la computación cuántica, la óptica atómica y las telecomunicaciones. Si el experimento se lleva a cabo, no solo pondría a prueba teorías muy abstractas, sino que abriría una vía real para detectar desviaciones de la física actual en condiciones accesibles desde la Tierra.
El trabajo combina múltiples disciplinas de frontera y aprovecha tecnologías ya demostradas: relojes atómicos ultraprecisos, enlaces por fibra óptica estabilizada, entrelazamiento remoto y control cuántico de múltiples niveles. Según los propios autores, esto no es una fantasía teórica, sino una posibilidad técnica “al alcance del hardware actual”.
En un futuro no muy lejano, podríamos ser testigos de un nuevo tipo de experimento: uno donde el paso del tiempo en distintas partes del planeta revele cómo funciona el universo a su nivel más profundo.
Referencias
- Johannes Borregaard & Igor Pikovski, Testing quantum theory on curved spacetime with quantum networks, Physical Review Research 7, 023192 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.023192.
Jacob P. Covey, Igor Pikovski & Johannes Borregaard, Probing curved spacetime with a distributed atomic processor clock, PRX Quantum (2025). https://doi.org/10.1103/q188-b1cr.
