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Sensores cuánticos y relojes atómicos: medir con precisión extrema

Sensores cuánticos y relojes atómicos: medir con precisión extrema

La fragilidad de los sistemas cuánticos suele ser un problema para la computación cuántica, pero resulta una ventaja para la medición. Un sistema muy sensible a su entorno puede detectar cambios minúsculos en el tiempo, la gravedad o los campos magnéticos. Así nacen los sensores cuánticos, la rama más madura de las tecnologías cuánticas.

El tiempo como oscilación

Medir el tiempo requiere algo que oscile de forma regular. Un péndulo, un cristal de cuarzo o, mucho mejor, un átomo. Los átomos de un mismo elemento son idénticos, por lo que la frecuencia con la que absorben o emiten radiación entre dos niveles de energía es la misma en todo el universo. Esa frecuencia universal es una referencia ideal.

Cómo funciona un reloj atómico

En un reloj de cesio, se hace pasar una radiación de microondas por átomos y se ajusta su frecuencia hasta que provoque el máximo número de transiciones. Esa frecuencia, de unos nueve mil millones de oscilaciones por segundo, define el segundo: desde 1967 el segundo es la duración de esa cantidad exacta de ciclos de la radiación asociada al cesio.

Relojes ópticos

La nueva generación usa transiciones de luz visible, con frecuencias cientos de miles de veces mayores, lo que permite dividir el tiempo en intervalos mucho más finos. Se emplean átomos enfriados con láseres y atrapados en redes de luz. Los mejores relojes ópticos tendrían una desviación de un segundo en edades comparables a la del universo.

El GPS depende de relojes

Cada satélite GPS lleva relojes atómicos. Tu receptor calcula su posición comparando los tiempos de llegada de las señales de varios satélites, y un error de una millonésima de segundo equivale a unos trescientos metros. Los efectos de la relatividad, que hacen que los relojes en órbita avancen a distinto ritmo, deben corregirse para que el sistema funcione.

Interferometría atómica

Así como la luz interfiere, los átomos fríos, que se comportan como ondas, también pueden interferir. Midiendo el desfase entre dos caminos, se obtienen aceleraciones y gravedad con una sensibilidad extraordinaria. Estos gravímetros cuánticos detectan variaciones en el campo gravitatorio que revelan cavidades subterráneas, depósitos de agua o minerales.

Magnetómetros cuánticos

Los centros de color en diamantes y los vapores de átomos alcalinos permiten medir campos magnéticos muy débiles. Se investigan para registrar la actividad magnética del cerebro y del corazón sin contacto, para localizar objetos enterrados y para detectar anomalías.

Navegación sin satélites

Los sensores inerciales cuánticos podrían permitir que un submarino o un avión conozca su posición con gran precisión sin depender del GPS, que puede bloquearse o falsificarse. Es un área de gran interés estratégico.

Hacia el mercado

Varios dispositivos ya se comercializan y otros están en fase de prototipo. Los desafíos son reducir su tamaño, costo y consumo para llevarlos fuera del laboratorio.

Un nuevo segundo en el horizonte

Los relojes ópticos son tan precisos que los metrólogos discuten redefinir el segundo con una transición óptica en lugar del cesio. También permiten medir diferencias de altura de un centímetro mediante el efecto de la gravedad sobre el tiempo, una aplicación llamada geodesia relativista. Comparar relojes en distintos lugares podría detectar variaciones en las constantes fundamentales o nuevos efectos físicos, convirtiendo el tiempo en una herramienta de descubrimiento.

Los sensores cuánticos muestran que la mecánica cuántica no solo sirve para calcular, sino también para medir el mundo con una precisión impensable hace unas décadas.

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