Sensores cuánticos

En 1894 Albert Michelson, premio Nobel de Física en 1907, comentaba que “la mayoría de los principios subyacentes habían sido establecidos” y citaba a Kelvin: “todo lo que quedaba por hacer era completar detalles en determinar algunas medidas con mayor número de decimales”. En 1900, Lord Kelvin señaló que “dos nubes se cernían: una tenía que ver con las propiedades de la luz y la otra con la radiación que emiten los objetos calientes”.

Esas dos nubes terminaron convirtiéndose en dos auténticas tormentas de granizo. Disipar la primera nube supuso que Albert Einstein pusiera encima de la mesa la teoría de la relatividad especial. La segunda nube, iniciada por Max Planck, comenzó también a ser disipada por el propio Einstein y dio lugar al desarrollo de otra nueva teoría: la mecánica cuántica.

La teoría de la mecánica no es extraña. Simplemente, es. No es más extraña de lo que le podía resultar a la mayoría de los navegantes y científicos del siglo XV considerar que La Tierra es esférica (asumiendo que ninguno hubiera tenido conocimiento de los cálculos y postulados de Eratóstenes.)

La mecánica cuántica no aplica a las ‘cosas pequeñas’ o al ‘mundo microscópico’. La mecánica cuántica aplica a toda la Naturaleza

Lo que ocurre es que sus evidencias experimentales nos producen, hasta el día de hoy, un desasosiego permanente. Los experimentos y resultados relativos a la mecánica cuántica van contra las mediciones y expectativas a las que nuestros sentidos humanos y experiencia nos llevan sometiendo durante miles y miles de años de evolución.

A toda la Naturaleza

La mecánica cuántica no aplica a las ‘cosas pequeñas’ o al ‘mundo microscópico’. La mecánica cuántica aplica a toda la Naturaleza en tanto que toda la Naturaleza, materia y luz, está compuesta de partículas: protones, neutrones, electrones, fotones… Existen fundamentalmente dos grandes aspectos experimentales de la mecánica cuántica que son inexplicables desde nuestros sentidos o intuición clásica: la superposición y el entrelazamiento. Bien, no tenemos ninguna explicación de estos dos fenómenos. Es así de sencillo. Nadie hoy en día es capaz de explicarlo.

Pero entonces, ¿por qué no observamos macroscópicamente estos fenómenos extraños? ¿por qué no estoy de pie y sentado al mismo tiempo según predice la mecánica cuántica? La respuesta es: decoherencia. Es el término que de nuevo usan los científicos para explicar que cada partícula interactúa con las demás y al hacerlo, se entrelaza con ellas, y al entrelazarse pierde su estado de superposición; es decir, colapsa, dicen los científicos. Si esto sucede con dos partículas, imaginemos lo que puede suceder cuando entran en juego millones de partículas que forman mi cuerpo y millones de fotones de luz que iluminan estas letras.

Esta es la clave para los sensores cuánticos: se basan en la sensibilidad extrema de los estados cuánticos a las perturbaciones e interacciones. Superan las limitaciones de los sensores convencionales al poder detectar señales muy pequeñas (por ejemplo, interacciones con otras partículas que hacen que sus estados colapsen), lo que abre nuevas posibilidades en diversas áreas, como la salud, la arqueología, la geología y la astronomía.

Detectar cambios en un fenómeno físico

Podemos entonces generar dispositivos para medir posiciones, tiempos, navegar midiendo las señales más débiles que la Naturaleza puede generar. Al permitir que una partícula exista en múltiples estados simultáneamente, los sensores cuánticos pueden aumentar la probabilidad de detectar cambios en un fenómeno físico. Al correlacionar el estado de dos o más partículas, los sensores cuánticos pueden lograr mediciones con mayor precisión, ya que cualquier cambio en un estado se reflejará en los otros.

Al correlacionar el estado de dos o más partículas, los sensores cuánticos pueden lograr mediciones con mayor precisión

Por ejemplo, destaquemos el radar cuántico: se envía una partícula de un par entrelazado hacia el objetivo y se guarda la otra como referencia. Si la partícula que interactúa con el objetivo regresa, esto indica una detección positiva. El cambio en el estado cuántico de la partícula que interactúa con el objetivo se utiliza para extraer información sobre el objetivo, como su presencia, ubicación y características. La sensibilidad del radar cuántico se debe a la capacidad de aprovechar las correlaciones entre los fotones entrelazados para mejorar la detección de señales débiles.

La tecnología puede detectar objetivos con señales muy pequeñas, incluso en entornos ruidosos donde los radares convencionales tendrían dificultades. Esta tecnología podría detectar objetos ‘casi invisibles’ para los radares tradicionales, como aviones furtivos, debido a su capacidad para captar señales muy débiles. Cualquier contramedida clásica será detectada por el radar cuántico al recibir una señal que no estará entrelazada con la referencia emitida, por tanto, dejará de existir el concepto de invisibilidad radar.

Otro ejemplo: un sensor cuántico puede medir el campo magnético de una sola neurona en el cerebro, mientras que un sensor clásico solo puede medir el campo magnético de un grupo de neuronas. Esto los hace prometedores para una amplia gama de aplicaciones en diferentes sectores, desde el ámbito médico, químico y farmacéutico hasta la energía y el medio ambiente, la logística y el transporte, la exploración espacial y la defensa.

Ya se ha desarrollado un sistema de navegación que funciona sin satélites que no puede ser interferido y, según las pruebas, es hasta 50 veces más preciso que los sistemas de respaldo actuales. Existen pequeñas variaciones, llamadas anomalías magnéticas, que dependen de la geología local y que pueden ser detectadas y registradas en mapas de referencia.

Podemos entonces generar dispositivos para medir posiciones, tiempos, navegar midiendo las señales más débiles que la Naturaleza puede generar

Si se dispone de sensores lo bastante sensibles, se pueden comparar las mediciones locales con esos mapas para saber con precisión dónde se encuentra un objeto. Los magnetómetros disponibles eran demasiado ruidosos o poco estables, y el ruido generado por los propios vehículos impedía obtener lecturas fiables.

Además, los algoritmos de comparación entre los datos medidos y los mapas eran poco robustos. Estos problemas se resuelven combinando sensores cuánticos con algoritmos de aprendizaje en tiempo real que filtran el ruido y se adaptan a cada vehículo y entorno. Cada sensor tiene apenas una masa de 70 gramos y un volumen de 144 cm³. Puede instalarse en cualquier tipo de vehículo, desde coches hasta aviones, pasando por drones. Esta miniaturización es clave para su uso práctico. La capacidad de la tecnología para distinguir las señales de un objetivo de la del ruido de fondo es una de las principales ventajas que permite una mayor precisión y sensibilidad.

Futuro prometedor

Computación cuántica, sensores cuánticos e Inteligencia Artificial, correctamente combinados, acelerarán la innovación de forma exponencial, como se explica en el informe de la Fundación Innovación Bankinter.

Gobiernos y empresas están invirtiendo en tecnologías cuánticas. El Reino Unido ha invertido 370 millones de euros el periodo 2019-2024. España invertirá 800 millones de aquí al 2030. Los analistas del sector esperan que los sensores cuánticos lleguen al mercado en un plazo aproximado de entre tres y cinco años con especial repercusión em medicina y defensa.

Los analistas del sector esperan que los sensores cuánticos lleguen al mercado en un plazo aproximado de entre tres y cinco años

Los sistemas de detección cuántica son complejos y caros aún. Sin embargo, se trabaja con esfuerzos enormes de ingeniería en una nueva generación de sensores más pequeños y económicos.

Recuerdo que hace unos años el profesor y maestro Carlos Camacho me invitó para impartir una conferencia. Al concluir, me preguntó por qué ahora existía tanto interés en la cuántica. Mi respuesta fue bastante imprecisa y torpe. La respuesta que daría hoy sería que durante los últimos años se han obtenido resultados asombrosos al respecto del tiempo en que somos capaces de preservar estados de partículas sin que la decoherencia les afecte.

Podemos manipular estas partículas, guiarlas y controlar su interacción de una forma sin precedentes desde hace unos cuantos años. Seamos suficientemente pacientes para seguir explorando las propiedades que nos ofrece la mecánica cuántica en ingeniería, con absoluta valentía, pero con la suficiente humildad de ser conscientes de que aún no tenemos una explicación de los fenómenos básicos que subyacen en la Naturaleza.