En las escalas más pequeñas, nuestro universo se vuelve raro. Las partículas actúan como bolas de billar u ondas en el agua, dependiendo de cómo las pruebes. Las propiedades no se pueden medir simultáneamente o tienden a difuminarse de manera incierta en un rango de valores. La intuición humana nos falla.
Durante gran parte del siglo pasado, toda esta rareza fue principalmente dominio de los físicos. Pero más recientemente, lo teórico y lo experimental se han inclinado hacia lo práctico. Esta tendencia es más visible en la creciente colección de primeras computadoras cuánticas, pero el comportamiento cuántico extraño es útil para algo más que el cálculo. Algunos científicos e ingenieros están construyendo redes de comunicaciones cuánticas no hackeables; otros tienen sus ojos en los sensores.
En un reciente papel preimpreso publicado en arXiv, un equipo del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia describe un acelerómetro cuántico que utiliza láseres y átomos de rubidio ultrafríos para medir el movimiento en las tres dimensiones con extrema precisión.
El trabajo extiende los acelerómetros cuánticos a la tercera dimensión y podría brindar una navegación precisa sin GPS y una detección confiable de valiosos depósitos minerales bajo los pies.
Ondas atómicas
Ya dependemos de los acelerómetros a diario. Tome un teléfono y la pantalla se ilumina. Gírelo de lado y la página que está leyendo cambia de orientación. Un diminuto acelerómetro mecánico, básicamente una masa unida a un mecanismo similar a un resorte, hace posible estas acciones (junto con otros sensores, como los giroscopios). Cada vez que un teléfono se mueve por el espacio, su acelerómetro rastrea ese movimiento. Esto incluye períodos cortos de tiempo cuando el GPS se cae, como en túneles o puntos muertos de señal celular.
Por útiles que sean, los acelerómetros mecánicos tienden a salirse de control. Si se dejan lo suficiente, acumularán errores en la escala de kilómetros. Esto no es crítico para los teléfonos que no están en contacto con el GPS por un breve tiempo, pero es un problema cuando los dispositivos viajan fuera del alcance durante períodos prolongados. Y para aplicaciones industriales y militares, el seguimiento posicional preciso sería útil en submarinos, que no pueden acceder al GPS bajo el agua, o como navegación de respaldo en barcos en caso de que pierdan el GPS.
Los investigadores llevan mucho tiempo desarrollando acelerómetros cuánticos para mejorar la precisión del seguimiento posicional. En lugar de medir una masa comprimiendo un resorte, los acelerómetros cuánticos miden las propiedades ondulatorias de la materia. Los dispositivos usan láseres para ralentizar y enfriar nubes de átomos. En este estado, los átomos se comportan como ondas de luz, creando patrones de interferencia a medida que se mueven. Más láseres inducen y miden cómo cambian estos patrones para rastrear la ubicación del dispositivo a través del espacio.
Al principio, estos dispositivos, llamados interferómetros atómicos, eran un lío de cables e instrumentos que se extendían por las mesas de laboratorio y solo podían medir una dimensión. Pero a medida que los láseres y la experiencia han avanzado, se han vuelto más pequeños y resistentes, y ahora se han vuelto 3D.
Una actualización cuántica
El nuevo acelerómetro cuántico 3D, desarrollado por el equipo en Francia, parece una caja de metal del largo de una computadora portátil. Utiliza láseres a lo largo de los tres ejes espaciales para manipular y medir una nube de átomos de rubidio atrapados en una pequeña caja de vidrio y enfriados casi hasta el cero absoluto. Al igual que los acelerómetros cuánticos anteriores, estos láseres inducen ondas en la nube de átomos e interpretan los patrones de interferencia resultantes para medir el movimiento.
Para mejorar la estabilidad y el ancho de banda, requisitos para su uso fuera del laboratorio, el nuevo dispositivo combina lecturas de acelerómetros clásicos y cuánticos en un circuito de retroalimentación que aprovecha las fortalezas de ambas tecnologías.
Debido a que el equipo puede controlar los átomos con extrema precisión, pueden realizar mediciones igualmente precisas. Para probar el acelerómetro, lo conectaron a una mesa preparada para moverse y rotar y descubrieron que el sistema era 50 veces más preciso que los sensores clásicos de grado de navegación. Durante un lapso de horas, la posición del dispositivo medida por un acelerómetro clásico se desvió por un kilómetro; el acelerómetro cuántico lo clavó dentro de los 20 metros.
Rayo encogedor
El acelerómetro, que aún es relativamente grande y pesado, no estará listo para su iPhone pronto. Pero hecho un poco más pequeño y más robusto, el equipo dice que podría instalarse en barcos o submarinos para una navegación precisa. O podría llegar a manos de geólogos de campo que buscan depósitos minerales midiendo cambios sutiles en la gravedad.
Otros grupos también están trabajando para miniaturizar y endurecer los sensores cuánticos para el campo. Un equipo del Laboratorio Nacional Sandia construyó recientemente un interferómetro de átomos fríos, como el que se usa aquí, en un paquete resistente del tamaño de una caja de zapatos. En un artículo que describe el trabajo, los investigadores de Sandia dicen que una mayor miniaturización probablemente será impulsada por los avances en chips fotónicos. En el futuro, dicen, los componentes ópticos necesarios para un interferómetro de átomo frío como el suyo podrían caber en un chip de solo ocho milímetros de lado.
Más sensores cuánticos, como giroscopios, puede unirse a la fiesta. Aunque también necesitarán algunas rondas de encogimiento y endurecimiento antes de escapar del laboratorio.
Por ahora, pasar a 3D es un paso adelante.
"La medición en tres dimensiones es un gran problema, un paso de ingeniería necesario y excelente para cualquier uso práctico de los acelerómetros cuánticos", dijo recientemente John Close de la Universidad Nacional de Australia. les dijo a New Scientist.
Crédito de la imagen: Aparecen patrones de interferencia en una nube de átomos de rubidio fríos atrapados en un giroscopio cuántico / Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST)
