Los sensores cuánticos utilizan átomos, electrones y luz como reglas ultraestables: detectan movimientos débiles, magnetismo y gravedad para la navegación, la medicina y la ciencia.

Las computadoras cuánticas están recibiendo mucha atención, aunque no están listas para el horario de máxima audiencia, pero los sensores cuánticos ya están haciendo un trabajo útil. Estos sensores miden campos, fuerzas y movimientos tan pequeños que el ruido de fondo normal puede ahogarlos. Algunos sensores ya se utilizan a diario, mientras que otros están pasando de los laboratorios de investigación a las pruebas de vuelo, los hospitales y los instrumentos de campo.

Por ejemplo, el cerebro humano produce señales magnéticas en el rango de femtotesla a picotesla (miles de millones de veces más débiles que un imán de nevera), mucho más débiles que el ruido magnético de una habitación normal. Por eso los escáneres cerebrales que miden estas señales necesitan detectores ultrasensibles y un fuerte blindaje magnético. En algunos hospitales, estos detectores utilizan tecnología cuántica para ayudar a mapear la actividad cerebral antes de la cirugía de epilepsia, sin tocar el cerebro.

Los sensores cuánticos también están surgiendo en otros campos, incluida la navegación cuando las señales de GPS están interferidas o falsificadas, mapear la gravedad para revelar lo que hay debajo de la Tierra y aumentar la capacidad de los astrónomos para medir ondas gravitacionales. Soy investigador en fotónica y tecnologías cuánticas. Mi laboratorio aplica la física para desarrollar una variedad de dispositivos, incluidos sensores cuánticos.

¿Qué es un sensor cuántico?

El sensor convierte un efecto físico (temperatura, presión, luz, aceleración o campo magnético) en un número. La mayoría de los sensores hacen esto con piezas de ingeniería: resortes, bobinas o chips de computadora. Pero pueden desviarse o volverse menos precisos a medida que envejecen o se calientan.

Un sensor cuántico utiliza un pequeño sistema cuántico como “ingrediente activo” que interactúa con el mundo para medir una cantidad física. Las opciones más comunes para los sistemas cuánticos son los átomos, los espines de los electrones y los circuitos superconductores.

Un átomo tiene un conjunto fijo de niveles de energía, como los peldaños de una escalera. La luz o las microondas pueden moverlo entre esos niveles sólo en las frecuencias correctas. Un campo magnético, movimiento o gravedad pueden cambiar esas frecuencias o cambiar la fase de la onda atómica, y el sensor convierte ese cambio en una medición.

El espín es una propiedad incorporada de los electrones que los hace comportarse como un cruce infinitesimal entre una peonza y una barra magnética. Usar espines como sensores significa medir cómo un campo magnético hace que los espines se “oscilen”. El giro es como una punta y el campo magnético es como si tu dedo tocara suavemente la punta. Cuánto se tambalea la punta en respuesta indica con qué fuerza la tocas, de forma análoga a medir la fuerza de un campo magnético.

Otro tipo de sensor cuántico es un circuito superconductor, un circuito eléctrico enfriado a temperaturas extremadamente bajas para que la corriente fluya sin resistencia. Un dispositivo de interferencia cuántica superconductora, o SQUID, es un bucle superconductor. Este bucle eléctrico es sensible a pequeños cambios en los campos magnéticos, que se registran como cambios mensurables en la señal eléctrica del dispositivo.

La mayoría de los sensores cuánticos siguen un ciclo de tres pasos: preparar un estado cuántico conocido, dejar que el mundo lo impulse y luego leer el cambio. Muchos dispositivos forman un patrón de ondas de interferencia entre dos sistemas cuánticos, similar a la forma en que dos ondas superpuestas crean patrones en un lago. Los dispositivos miden cómo cambia este patrón en respuesta a cambios en el entorno alrededor de un cambio de dispositivo.

Ventaja del sensor cuántico

Los sensores cuánticos no son automáticamente mejores en todo y todavía dependen de la ingeniería clásica. Pero aquí hay tres beneficios que ofrecen:

Son naturalmente uniformes. Los átomos del mismo tipo son idénticos, por lo que el elemento sensor es consistente de un dispositivo a otro y menos propenso a moverse que muchas piezas fabricadas.

Responden a pequeños empujones. Un pequeño campo puede cambiar el estado cuántico de forma mensurable, si el dispositivo está suficientemente protegido contra interferencias o ruidos.

Los ingenieros pueden remodelar el ruido. Técnicas como la luz “comprimida” no eliminan el ruido, pero pueden eliminar la incertidumbre de la parte de la medición que más importa.

Magnetismo: del escaneo cerebral a la depuración de chips

Un ejemplo maduro de sensor cuántico es un método clínico de obtención de imágenes cerebrales llamado magnetoencefalografía o MEG. MEG mide los campos magnéticos producidos por la actividad cerebral y se utiliza en investigación y clínicas, incluido el mapeo de la actividad convulsiva y áreas importantes del cerebro antes de la cirugía. Suele utilizar sensores conectados a SKUID dentro de habitaciones protegidas.

Al hacer brillar un láser a través de una pequeña cámara atómica, la nube de átomos se convierte en un sensor que puede detectar los campos magnéticos extremadamente débiles del cerebro. Brookes et al Tendencias en Neurociencias, CC BI

Es posible que los magnetómetros más nuevos no requieran el mismo enfriamiento extremo que los SQUID. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, o NIST, ha desarrollado magnetómetros atómicos en un chip que funciona a temperatura ambiente. El NIST y otros equipos de investigación los están investigando para trabajos biomédicos porque pueden medir campos débiles del cerebro y el corazón sin el equipo de enfriamiento criogénico que necesitan los calamares. En un ejemplo, los investigadores han informado sobre mediciones del corazón fetal utilizando una serie de magnetómetros bombeados ópticamente, y analizan estos sensores de temperatura ambiente como una ruta hacia sistemas más flexibles que las configuraciones criogénicas fijas.

Los centros de vacantes de nitrógeno son otro tipo de sistema cuántico que puede utilizarse como sensor. Se basa en un “defecto” específico en un diamante: un átomo de nitrógeno que se encuentra junto a un vacío debido a un átomo de carbono faltante. Ese defecto actúa como un espín cuántico que puede activarse con luz, perturbarse con campos magnéticos y leerse contando los fotones emitidos.

Los sensores del centro de disponibilidad de nitrógeno no están diseñados para escanear toda la cabeza del cerebro. Su punto fuerte es la fina resolución espacial: pueden mapear campos magnéticos de decenas de nanómetros o milmillonésimas de metro. Puede ayudar a obtener imágenes de pequeñas estructuras magnéticas, materiales de aprendizaje e incluso mapear corrientes en microondas y dispositivos electrónicos como chips de computadora.

Movimiento: navegación cuando no se confía en las señales de los satélites

Cuando las señales de navegación por satélite están bloqueadas o no son confiables, la navegación recurre a acelerómetros y giroscopios como los de su teléfono inteligente. El desafío es la deriva: los pequeños errores se acumulan con el tiempo. Los sensores de átomos fríos ofrecen un camino diferente. En un acelerómetro normal, un pequeño objeto dentro del sensor se retrasa cuando aceleras. En un interferómetro atómico, una nube de átomos enfriados por láser desempeña ese papel y sus ondas de materia se mezclan de una manera que depende de la aceleración y la rotación.

Estos sistemas de navegación cuántica aún no son un equipamiento estándar. Pero agencias y empresas los están probando porque podrían proporcionar un respaldo cuando las señales satelitales son débiles, bloqueadas o falsas. La Agencia Espacial Europea ha descrito los sensores cuánticos “hipersensibles” como posibles herramientas adicionales para la navegación, señalando que el desafío es hacerlos confiables y robustos fuera del laboratorio. El gobierno del Reino Unido también ha descrito públicamente los vuelos de prueba de tecnología de navegación cuántica como una capa adicional de resiliencia.

Gravedad: mapas que revelan agua, minerales y vacíos

La NASA está desarrollando un sensor de gravedad cuántico para mejorar mapas como este que muestran diferencias en la fuerza de la gravedad en diferentes lugares de la Tierra. NASA

El sensor de gravedad utiliza física relacionada. Si puedes medir pequeños cambios en la gravedad de un lugar a otro, puedes inferir una estructura oculta debajo de la tierra. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA está desarrollando el Gradiómetro de Gravedad Cuántica Pathfinder, un sensor cuántico espacial que tiene como objetivo mapear cambios sutiles en la gravedad asociados con características del subsuelo, como acuíferos y depósitos minerales.

Este sensor de gravedad aún está en desarrollo. El sistema utilizaría dos nubes de átomos de rubidio ultrafríos como masas de prueba. Enfriados cerca del cero absoluto, los átomos se comportan como ondas. El instrumento compararía la aceleración de las dos ondas atómicas. La ligera diferencia que se siente en la ubicación de las dos nubes indica una anomalía de gravedad causada por una masa oculta.

Ver el universo: ‘exprimir’ la luz para vencer el ruido cuántico

Algunos de los sensores más famosos de la ciencia miden cambios de distancia increíblemente pequeños. Los observatorios de ondas gravitacionales, como el Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser, o LIGO, hacen esto dividiendo un rayo láser para viajar a lo largo de un par de trayectorias de 4 kilómetros (2,5 millas) de largo en ángulos rectos y rebotar en espejos en los extremos. Cuando una onda gravitacional causada por un evento cósmico distante como la fusión de dos agujeros negros pasa a través del dispositivo, los tiempos de viaje de los dos rayos son ligeramente diferentes.

Esta es una detección cuántica mejorada. El observatorio mide el cambio de distancia, pero la física cuántica establece uno de sus límites de ruido. El ruido cuántico puede limitar el funcionamiento de estos instrumentos. LIGO informa que utiliza “compresión dependiente de la frecuencia”, un método para reducir el ruido cuántico, para ayudar a los detectores a sondear un volumen mayor del universo y encontrar aproximadamente un 60% más de fusiones que antes de LIGO.

Atrapar

Los estados cuánticos son delicados. Las vibraciones, los campos perdidos y los cambios de temperatura pueden eliminar el patrón de interferencia o sesgar el estado de giro. Por eso muchos de los dispositivos más sensibles todavía utilizan cámaras de vacío, láseres y escudos.

Los sensores cuánticos ya funcionan donde las señales pequeñas importan: en relojes, hospitales y observatorios. El siguiente paso es hacer que estos sensores sean lo suficientemente pequeños, baratos y robustos para funcionar fuera de laboratorios especializados.