Un radar cuántico para detectar aviones casi invisibles

Aunque el radar tiene usos tan diversos como predecir el tiempo o averiguar la velocidad a la que circulan los coches por la carretera, la actual guerra en Ucrania nos recuerda todos los días el propósito para el que fue diseñado: detectar aviones enemigos que pudieran atacar militarmente nuestro territorio. Su desarrollo, claro está, va aparejado con estrategias para camuflar aviones de manera que escapen a los radares, que también progresan y son cada vez más eficaces en su detección. Ahora, las tecnologías cuánticas pretenden detectar incluso los aviones más camaleónicos, y sus consecuencias podrían tener un impacto mucho mayor.

Si un murciélago emite sonidos agudísimos para deducir qué hay a su alrededor a partir de los ecos que escucha, el radar hace lo mismo pero con ondas de radio o microondas. Cuando acecha un avión enemigo, las ondas que emite la antena del radar rebotan en él y vuelven a la antena. Según el tiempo que tarden en volver y la desviación que sufran, se puede averiguar dónde está el avión y qué tamaño tiene.

Sin embargo, si se diseña un avión lleno de ángulos y se recubre de una pintura especial, se puede hacer que absorba la mayor parte de las ondas que recibe, o que las desvíe tanto que nunca vuelvan a la antena. Estos son algunos de los trucos que utiliza el “bombardero furtivo” (el estadounidense Northrop Grumman B-2 Spirit) para volverse casi invisible a los radares. Es el último invento, por ahora, en un tira y afloja que no ha cejado desde la invención del radar en torno a la Segunda Guerra Mundial.

Ambiente ruidoso

Claro está que la antena del radar recibe muchas más ondas que las que rebotan de los aviones que detecte. Aunque se elijan frecuencias lo más exclusivas posible, siempre hay algo de ruido que dificulta la detección. Solo si las ondas que rebotan destacan entre el ruido se puede deducir que está el avión. Pero, si se pudiera saber cuáles de las ondas que llegan son las mismas que se emitieron y cuáles son simplemente ruido ambiente, bastaría con muchas menos ondas rebotadas para detectar el avión.

Precisamente aquí es donde las tecnologías cuánticas pueden ayudar. Gracias a las propiedades cuánticas de las ondas de radio, de microondas o incluso de luz visible, un haz de cualquiera de estas ondas se puede dividir en dos de manera que, aunque tomen caminos diferentes, sigan manteniendo una estrecha relación en sus propiedades. Tan estrecha es la relación que si se vuelven a unir los haces es posible comprobar que partieron de la misma fuente.

Esta relación entre haces de ondas se llama entrelazamiento y se puede aprovechar para crear un radar mucho más sensible que los actuales. La semilla para este nuevo invento se plantó en Science en 2008 con una propuesta de sensor a más pequeña escala, aunque la aplicación a los radares no llegaría hasta más tarde.

Esta primera propuesta planteaba separar un haz de luz visible en dos de forma que la pareja estuviera entrelazada. Uno de los haces iría directamente a un detector, mientras que el otro se emitiría en la dirección del objeto a detectar. Si el objeto está ahí, la luz rebotará y volverá al detector, juntándose de nuevo con su pareja. En cualquier caso, al detector llegarán muchos más haces de luz, pero se puede saber cuáles forman pareja con los que ya había en el detector para descartar los demás.

Así es como se puede restringir el análisis solo a la luz que llega reflejada del objeto a detectar. Sin tener que lidiar con el ruido, es mucho más fácil deducir si hay o no un objeto, a qué distancia y qué forma tiene.

Un radar de microondas

Este tipo de sensor cuántico se ha llevado al laboratorio con éxito en varias ocasiones. Sin embargo, la luz visible no es la más indicada para un radar. Por diversos motivos, es mejor utilizar microondas, que son iguales a la luz en su naturaleza (son ondas electromagnéticas) pero oscilan con una frecuencia menor.

Entonces, ¿por qué no usar el entrelazamiento en microondas para crear un radar cuántico? Sería una idea genial, pero aún resulta muy difícil explotar los aspectos cuánticos de este tipo de ondas. Por eso la propuesta actual de radar cuántico combina ambos tipos de ondas para lograr una capacidad de detección nunca vista.

En primer lugar, se eligen dos haces, uno de luz visible y otro de microondas, y se entrelazan. A continuación, el haz de microondas se emite hacia el objeto a detectar, mientras que el de luz visible va directo al detector. Cuando vuelven las microondas, se convierten a luz visible para luego comprobar si forman pareja con la luz visible que ya había en el detector.

Así, se aprovechan las ventajas de las microondas en el radar, pero los efectos cuánticos se comprueban con luz visible donde son más fáciles de observar. La propuesta, en principio, está lista para llevarla a cabo en el laboratorio, ya que la tecnología que requiere está ya a nuestro alcance.

Más allá de la defensa

Sin embargo, aún hay retos por resolver antes de ponerse a construir radares cuánticos. Es posible que las microondas emitidas tal y como se propone en el artículo no tengan el alcance suficiente para que el radar sea eficaz. Además, entrelazar las microondas con la luz visible no es sencillo, y actualmente solo es posible emitir haces muy débiles. Tanto, que las ondas que rebotaran no serían lo suficientemente intensas como para realizar un análisis fiable que identifique el objeto.

Habrá que esperar para que el radar cuántico detecte aviones como el “bombardero furtivo”. Con todo, países como Canadá han invertido millones de dólares en desarrollar este tipo de radar para que sea aplicable a la defensa nacional.

Sin embargo, el radar es útil mucho más allá de la defensa, y posiblemente no sea esta la primera aplicación de su versión cuántica. En principio, la tecnología actual ya permitiría usar esta técnica para escanear, por ejemplo, circuitos eléctricos sin necesidad de contacto. Es más, el siguiente paso es ir más allá de las microondas hacia las ondas de radio, que tienen una frecuencia aún menor.

Si se logra, podríamos tener imágenes por resonancias magnéticas más detalladas o, incluso, conocer aún mejor la estructura de las proteínas y ácidos nucleicos a través de la resonancia magnética nuclear. Aunque la actualidad ponga el foco en las aplicaciones bélicas, los radares sirven para muchas más cosas. Invertir en su desarrollo podría mejorar la calidad de vida de muchas personas y llevarnos a lugares que aún no podemos sospechar.

QUE NO TE LA CUELEN:

• El invento del radar cuántico tiene un revés inesperado. Aunque los haces de luz o de microondas salen de la antena entrelazados, en ocasiones el entrelazamiento se pierde conforme las ondas avanzan. De hecho, en general, conseguir que el entrelazamiento se mantenga no es tarea fácil: requiere que el sistema entrelazado esté muy aislado del entorno. Por eso los ordenadores y otras tecnologías cuánticas necesitan grandísimos refrigeradores, ya que si se pierde el entrelazamiento se acaba la ventaja cuántica. Sin embargo, en el caso del radar, perder el entrelazamiento no es un problema. Aunque el haz que rebota en el objeto ya no esté entrelazado con el haz que va directamente al detector, siguen teniendo la relación suficiente como para saber que estuvieron entrelazados originalmente.

REFERENCIAS (MLA):

• Lloyd, Seth. “Enhanced Sensitivity Of Photodetection Via Quantum Illumination”. Science, vol 321, no. 5895, 2008, pp. 1463-1465. American Association For The Advancement Of Science (AAAS),https://doi.org/10.1126/science.1160627.
• Barzanjeh, Shabir et al. “Microwave Quantum Illumination”. Physical Review Letters, vol 114, no. 8, 2015. American Physical Society (APS),https://doi.org/10.1103/physrevlett.114.080503.
• Lopaeva, E. D. et al. “Experimental Realization Of Quantum Illumination”. Physical Review Letters, vol 110, no. 15, 2013. American Physical Society (APS),https://doi.org/10.1103/physrevlett.110.153603.