Un equipo de investigadores de Francia ha desarrollado el primer sensor inercial cuántico híbrido tridireccional, que puede medir la aceleración sin utilizar señales de satélite. En el corazón de este innovador dispositivo se encuentra algo llamado «interferometría de ondas de materia», que utiliza dos características distintas de la mecánica cuántica: la dualidad onda-partícula y la superposición.
En las nubes
El dispositivo consiste en una nube de átomos de rubidio que se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto. Los átomos se colocan en el vacío y están en caída libre debido a la gravedad.
Una vez enfriado, una serie de tres destellos de láser brillan sobre los átomos, creando ondas de materia en los átomos de rubidio. Según las leyes de la mecánica cuántica, a temperaturas extremadamente bajas, los átomos no se comportan como partículas estándar. También se comportan como ondas que pueden sufrir difracción e interferencia como lo hace la luz.
Después de que el rayo láser golpea a los átomos, primero experimentan cambios en sus estados de energía.
“Según la mecánica cuántica, puedes describir el átomo [as] estando tanto en un estado fundamental como en un estado excitado simultáneamente. En otras palabras, el átomo ha absorbido algo de luz y no ha absorbido ninguna luz al mismo tiempo. Este extraño estado se llama superposición cuántica”, dijo Philippe Bouyer, profesor del Institut d’Optique y coordinador del programa de detección cuántica Quantum Delta NL.
Por lo tanto, un átomo de rubidio en este estado puede describirse como dos ondas de materia que van en direcciones diferentes. «Uno es el estado en el que el átomo sigue su trayectoria como si nunca hubiera interactuado con la luz, mientras que la otra onda sigue una trayectoria como si la luz lo empujara», dijo Bouyer, coautor del artículo.
Un segundo pulso láser, enviado en rápida sucesión, invierte los dos estados, mientras que un tercer pulso asegura que las rutas se superpongan, lo que permite la interferencia. Este proceso se repite tres veces sucesivamente, con el rayo láser alineado cada vez en un eje de orientación diferente.
A medida que el dispositivo cambia su momento, hay un cambio en las franjas de interferencia. Esto se mide contra una referencia, en este caso, un espejo retrorreflectante que refleja el rayo láser desde la fuente láser hacia los átomos de rubidio.
“El espejo, uno en cada eje, te dice dónde está el láser. Dado que los átomos caen constantemente debido a la gravedad, lo que medimos es la aceleración relativa entre los espejos y los átomos”, dijo Bouyer.
Alta precisión
El sensor inercial cuántico no requiere ninguna calibración, ya que se conocen de antemano los niveles de energía de los átomos, la frecuencia de la luz y el momento del fotón al que corresponde. Junto con el tiempo que tarda en producirse la interferencia y la frecuencia del láser, la aceleración se puede calcular mediante ecuaciones mecánicas.
Además, a temperaturas cercanas al cero absoluto, el movimiento de los átomos se puede controlar con una precisión de un centímetro por segundo en lugar de los 500 metros por segundo a temperatura ambiente, lo que permite detectar pequeños cambios de velocidad.
Sin embargo, el sensor tiene un inconveniente: no puede realizar mediciones continuas. “Se necesita tiempo para hacer muy buenas mediciones. Por ejemplo, al medir una franja de interferencia que puede tardar 100 milisegundos, si hay cambios de velocidad durante este tiempo, no hay forma de saberlo”, dijo.
Bouyer y su equipo encontraron una forma de solucionar este problema integrando sensores cuánticos con acelerómetros clásicos. “Usamos la medición cuántica para corregir in situ la medición no perfecta del acelerómetro clásico. El resultado es esta señal corregida”, dijo el coautor Baptiste Battelier.
Battelier agregó que el nuevo sensor emite una señal constante con una precisión 50 veces mayor que los acelerómetros clásicos. Esta es la razón por la que el sensor híbrido no requiere corrección de sesgo a través de señales externas proporcionadas por satélites. Sin embargo, no espere que estas cosas aparezcan en su teléfono en el corto plazo. Todo el hardware requiere alrededor de un metro cúbico de espacio, y los investigadores estiman que los costos oscilarán en el rango de varios cientos de miles de dólares.
“La mayor ventaja de un sensor de este tipo, que puede usarse en submarinos, aviones y barcos, es la privacidad y la autonomía”, dijo Battelier.
Dhananjay Khadilkar es un periodista residente en París.