Hasta 300 anillos por chip y más de 400 chips por oblea: así es la «regla de luz» del NIST para relojes atómicos portátiles si falla el GPS

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST) y del Joint Quantum Institute (JQI) han fabricado en obleas de silicio más de 400 chips, cada uno con hasta 300 resonadores en forma de anillo, que generan una especie de cinta métrica para la luz sin depender del voluminoso equipo de laboratorio que exigían los diseños anteriores, según la nota del NIST publicada el 16 de octubre de 2026 y actualizada el 27.

La agencia sostiene que el dispositivo podría acercar los relojes atómicos portátiles de altísima precisión y, con ellos, dar señales de navegación a drones, coches y submarinos cuando el GPS no esté disponible o haya sido bloqueado. El trabajo lo firman 14 autores; lo encabeza Grégory Moille, investigador del JQI y asociado del NIST, y lo cierra Kartik Srinivasan, codirector del JQI y NIST Fellow.

Un anillo de nitruro y dos láseres

El instrumento se llama peine de frecuencias óptico. Produce un abanico de colores de luz separados a intervalos idénticos, como las marcas de una regla, y sirve para medir la frecuencia de otra luz con enorme exactitud. Los peines son una pieza esencial de los relojes atómicos ópticos, que cuentan el tiempo con las oscilaciones de la luz que absorben ciertos átomos.

Según el NIST, el equipo hace circular la luz de dos láseres alrededor de un microrresonador, un anillo diminuto grabado en el chip, y esa luz interactúa consigo misma hasta formar las marcas del peine. Los métodos previos usaban un solo láser y necesitaban equipos adicionales, grandes y con mucho consumo, para conseguir marcas estables.

Los anillos son de nitruro de silicio y se fabricaron en obleas comerciales de 100 milímetros. Para generar el peine, los autores inyectan 145 milivatios de un láser y 70 milivatios del otro dentro del chip, de acuerdo con el artículo científico.

La física de partida la predijo en 2023 un grupo dirigido por Miro Erkintalo, de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) y del Centro Dodd-Walls de Tecnologías Fotónicas y Cuánticas. Los dos equipos lo demostraron en 2024, aunque aquel primer peine salía con varias series de marcas superpuestas, algo que la universidad compara con una regla mal impresa.

De la fibra óptica al visible

En el nuevo trabajo, el peine se alinea solo con los dos láseres y deja una única serie de marcas. Uno de los láseres trabaja a unos 193,55 terahercios, unos 1.549 nanómetros, la banda de las telecomunicaciones por fibra. El otro emite casi justo al doble, 387,31 terahercios, en el visible.

Esa separación de una octava, una frecuencia el doble de la otra, es la que permite saber dónde empieza la regla. El método estándar para calcularlo, el que dio el Nobel de Física de 2005, exige que el peine abarque esa octava y que sus extremos tengan potencia. En los peines de un láser, los extremos salen débiles y ruidosos; aquí los dos láseres son los propios extremos.

El resultado es una rejilla continua de 220 terahercios con todos los dientes por encima de 1 nanovatio. Gracias a ese autoalineamiento, la anchura de línea del ritmo de repetición del peine baja de 70 kilohercios a 1,8 kilohercios, escriben los autores.

Tres pruebas con un solo chip

Moille usó el mismo dispositivo en todas las demostraciones y solo cambió los láseres de entrada. Primero enlazó microondas, que oscilan miles de millones de veces por segundo, con luz que oscila cientos de billones de veces, una conversión útil para medidas como el lidar de los coches autónomos.

Para la prueba de reloj, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. (AFRL) aportó una referencia atómica estable basada en rubidio 87. Según el JQI, el chip permitió medir esa luz, que oscila varios cientos de billones de veces por segundo, con un margen de unas 100.000 oscilaciones por segundo respecto al valor que deberían dar los átomos.

En la tercera, un láser de bajo ruido fabricado en un chip de la Universidad de California en Santa Bárbara sirvió para producir microondas muy puras, que mejoran por ejemplo las medidas de distancia de un radar. El equipo comparó los tres casos con su peine de sobremesa y comprobó que el chip daba las mismas frecuencias con una estabilidad parecida.

«Con este nuevo enfoque, por fin vemos un camino viable para su uso en la medición atómica del tiempo desplegable», afirma Moille en la nota del JQI. El investigador añade que antes una de estas tareas con un peine pequeño requería a varias personas durante semanas o meses, y que ahora basta con «un solo operador cada vez» para cada aplicación.

Diez veces más peines estabilizados

La flexibilidad del sistema permite compensar las pequeñas diferencias de fabricación entre anillos, lo que reduce la exigencia de precisión en la fábrica y podría facilitar la producción en masa, según el JQI. El grupo lo probó con dispositivos de varios diseños distintos y obtuvo resultados útiles con ajustes sencillos.

Srinivasan explica que hace 18 meses su laboratorio dedicaba el 90 % del trabajo al método clásico de un solo láser. «En el último año hemos podido estabilizar más de diez veces el número de micropeines que en todos los años anteriores juntos», señala en la nota de la universidad.

En el estudio colaboran además la Universidad de Maryland en el Condado de Baltimore, la Universidad de California en Santa Bárbara, la empresa AV Incorporated y el AFRL. La nota del JQI recuerda que unos relojes atómicos portátiles servirían también para cartografiar variaciones de minerales bajo tierra.

El trabajo llega cuando la navegación sin satélites gana interés, como el sistema cuántico de navegación sin satélites, y los relojes ópticos de laboratorio baten récords, como el reloj atómico más preciso de la historia nacido en Singapur. La fotónica en chip ya ha dado otros instrumentos baratos y pequeños, como el espectrómetro de 10 dólares de Cambridge.

El modulador de fase sigue fuera

El chip todavía no es un reloj completo. Para leer su ritmo de repetición, muy alto, el montaje necesita un aparato externo con un modulador de fase que baje esa frecuencia a un valor medible, reconocen los autores. Los dos láseres también siguen siendo externos y el equipo aspira a que algún día baste con uno solo para alimentar los dos lados del peine.

En la prueba con rubidio, el chip y un peine comercial de fibra coincidieron con una diferencia de unos 3 kilohercios, dentro de una desviación de 26 kilohercios en 75 minutos, pero ambos se desviaron del valor aceptado de la transición, algo que el artículo atribuye al aparato de rubidio. El NIST no da fechas ni costes para un reloj portátil basado en este chip, y la pieza que faltaría, un doblador de frecuencia integrado en el mismo nitruro de silicio, se plantea solo como paso futuro.

El estudio se ha publicado en Nature el 30 de septiembre de 2026.

Crédito de la imagen: Grégory Moille/JQI, NIST.