El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se ha convertido en uno de los pilares fundamentales de la vida del siglo XXI. La mayoría de las personas del mundo desarrollado poseen un receptor de GPS y numerosas industrias dependen de él en sus procesos, algunos de los cuales pueden tener una importancia vital.

Este sistema es tan fundamental que los gobiernos, los líderes de la industria y las fuerzas armadas llevan años estudiado sus deficiencias y las vulnerabilidades que podrían tumbarlo. Y las consecuencias de sus preocupaciones no son nada tranquilizadoras.

Una de las peores situaciones que podría tener lugar en torno a la caída del GPS es lo que se conoce como el síndrome de Kessler, la posibilidad de que una colisión en la órbita de la Tierra desencadene una cascada de nuevas colisiones que aumente dramáticamente la densidad de los desechos espaciales. Una situación así podría destruir toda la red de satélites GPS en cuestión de horas.

Muchos equipos de investigación están estudiando formas para restaurar el sistema GPS sin depender de los satélites. Y ahora, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del Gobierno de EE. UU. ha publicado una estrategia con la que podría conseguirse.

Primero algunos antecedentes. Los satélites GPS son, básicamente, relojes en órbita que transmiten señales de tiempo precisas y sincronizadas. Un receptor en el suelo puede triangular su posición al comparar los diferentes tiempos de llegada de las señales de tres satélites o más.

Estos relojes en órbita se basan ​​en átomos de cesio. Cuando los electrones que orbitan alrededor de los átomos saltan de un estado a otro, producen radiación con una frecuencia de exactamente 9.192.631.770 hercios. Esta cifra se conoce como el estándar de cesio y se usa para mantener el tiempo.

Estos relojes atómicos tienen una precisión de 10^-6 segundos y se sincronizan regularmente con los sistemas terrestres. Esta sincronía es lo que permite determinar la precisión del posicionamiento del sistema. Pero los relojes terrestres se pueden sincronizar con mucha mayor precisión. De hecho, una técnica conocida como transferencia de tiempo-frecuencia óptica bidireccional ha sincronizado relojes dentro de 10 ^-19 segundos.

Pero hasta ahora, nadie ha conseguido aplicar esto a un reloj en movimiento. El proceso asume que el tiempo que tarda la luz en viajar de un reloj a otro es el mismo en ambas direcciones. Pero esto no es así si alguno de los relojes está en movimiento, por lo que no sirve para los sistemas tipo GPS.

Esto podría estar a punto de cambiar, gracias al trabajo del investigador del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. Hugo Bergeron y sus colegas. El equipo ha desarrollado una técnica para sincronizar un par de relojes en movimiento con una precisión extraordinaria.

El secreto de su enfoque es relativamente sencillo. El objetivo es encontrar una forma de tener en cuenta el movimiento de los relojes. Y para lograrlo, Bergeron y sus compañeros solo tuvieron que medir el movimiento relativo.

La investigación detalla: "La velocidad se detecta a partir de la tasa de cambio del tiempo de vuelo medido en tres mediciones aproximadamente continuas que requieren unos 1,5 milisegundos a través de un enlace turbulento". Los investigadores pusieron a prueba su enfoque con las señales horarias retransmitidas por retrorreflectores instalados en un par drones capaces de alcanzar velocidades relativas de hasta 24 metros por segundo.

Y los resultados son impresionantes. "Los relojes sincronizados coinciden a una frecuencia cercana al 10 ^-18", afirma el trabajo. Por lo tanto, resulta obvio que su sistema es mucho más preciso que el GPS actual y abre una gran cantidad de nuevas aplicaciones. Además de una navegación más precisa, este enfoque podría habilitar los experimentos científicos móviles distribuidos que intentan detectar cosas como desde las ondas gravitacionales y la materia oscura.

Y también ofrece la posibilidad de reemplazar la constelación de satélites GPS en caso de que ocurra un desastre. Solo harían falta globos, drones u otros vehículos voladores.

Ref: arxiv.org/abs/1808.07870: Femtosecond Synchronization of Optical Clocks Off of a Flying Quadcopter