Este sensor cuántico reemplazaría al GPS

A pesar de que el concepto de lo cuántico ha invadido sectores completamente alejados de la ciencia y se utiliza de forma indiscriminada para aludir a algo complejo… La realidad es que lo es: se trata de un concepto complejo, pero científico. No se puede saber la posición de una partícula y su velocidad al mismo tiempo.

Una de las mejores metáforas para explicar el principio de incertidumbre que sustenta el mundo cuántico es la pompa de jabón. Imagina que quieres medir con mucha precisión la temperatura de una pompa de jabón muy delicada.

La pompa es nuestra partícula cuántica, el acto de medir la temperatura es la observación, el estudio de la partícula y el resultado final es la incertidumbre: para medir la temperatura, tienes que tocar la pompa con un termómetro. En el instante en que el termómetro toca la pompa para obtener su temperatura (medir la posición), la fuerza del contacto o la perturbación térmica hacen que la pompa explote o cambie drásticamente su movimiento (se altera el momento o velocidad).

De este modo, el acto de medir la temperatura arruinó la existencia de la pompa o alteró su velocidad. Por lo tanto, no puedes saber con exactitud simultánea dónde está (o estaba) la pompa y qué tan rápido se desplazaba en el mismo momento.

No es un problema de tener mejores instrumentos. Es una ley fundamental de la naturaleza a nivel cuántico: para obtener información sobre una propiedad (como la posición), inevitablemente inyectas energía o perturbas tanto al sistema que alteras de manera impredecible otra propiedad vinculada (como el momento).

Afortunadamente, la ciencia avanza y los expertos están redefiniendo la incertidumbre cuántica para eludir la restricción impuesta por el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg.

Un nuevo estudio, publicado en Science, abre las puertas al desarrollo de sensores cuánticos ultraprecisos, que podrían optimizar la navegación en entornos donde el GPS no funciona, como submarinos, desplazamientos subterráneos o vuelos espaciales. Puede ayudar a mejorar la capacidad de crear imágenes, monitorizar materiales y sistemas gravitacionales o investigar la física fundamental.

“Lo que hemos hecho – explica el líder del estudio, Tingrei Tan – es llevar esta incertidumbre cuántica a lugares que no nos interesan (grandes y bruscos saltos en la posición y el momento) para que los detalles sutiles que sí nos importan se puedan medir con mayor precisión”.

Los físicos también utilizaron la analogía de un reloj para explicar sus hallazgos. Imaginemos un reloj normal con dos manecillas: la de la hora y la de los minutos. Ahora imagine que el reloj solo tiene una manecilla. Si es la de la hora, se puede saber qué hora es y aproximadamente qué minuto, pero la lectura de los minutos será muy imprecisa.

Si el reloj solo tiene la de los minutos, se pueden leer los minutos con mucha precisión, pero se pierde la noción del contexto general, en concreto, la hora en la que se está. Esta medición modular sacrifica parte de la información global a cambio de un detalle mucho más preciso, según un comunicado.

“Al aplicar esta estrategia en sistemas cuánticos, podemos medir los cambios tanto en la posición como en el momento de una partícula con mucha más precisión - añade el coautor del estudio, Christophe Valahu -. Renunciamos a información global, pero ganamos la capacidad de detectar cambios minúsculos con una sensibilidad sin precedentes”.

Gracias a ello, el equipo de Tan utilizó el protocolo de detección utilizando el diminuto movimiento vibratorio de un ion atrapado, el equivalente cuántico de un péndulo. Prepararon el ion en "estados de cuadrícula", un tipo de estado cuántico desarrollado originalmente para la computación cuántica con corrección de errores. Con esto, demostraron que tanto la posición como el momento pueden medirse conjuntamente con una precisión que supera el “límite cuántico estándar”, el máximo alcanzable utilizando únicamente sensores clásicos.