Investigadores de laboratorios públicos e industriales de todo el mundo compiten por perfeccionar la tecnología y los métodos de detección de cambios de movimiento y campos eléctricos y magnéticos a nivel atómico.
Investigadores de laboratorios públicos e industriales de todo el mundo compiten por perfeccionar la tecnología y los métodos de detección de cambios de movimiento y campos eléctricos y magnéticos a nivel atómico.Detectar cambios diminutos en las propiedades conocidas de los átomos puede dar lugar a mediciones extremadamente precisas y exactas, una técnica conocida como detección cuántica.
La detección cuántica para la navegación es un área de gran interés para el Pentágono. Los combatientes estadounidenses se entrenan habitualmente para operaciones en entornos sin GPS, ya que cada vez son más conscientes de que rivales tecnológicamente sofisticados como China o Rusia pueden corromper o desactivar las señales GPS de las que dependen.
El trabajo realizado por el físico investigador del Naval Research Laboratory, Roger Easton, fue fundamental para el GPS y condujo al lanzamiento del NTS-2, el primer satélite que transmitió señales GPS en 1977. Hoy, Adam Black, jefe de la sección de óptica cuántica del NRL, es uno de los que están adaptando los sensores cuánticos a una técnica de navegación alternativa anterior al GPS: la navegación inercial.
«Creo que con algunas de las tecnologías inerciales atómicas más pequeñas podríamos estar sólo a unos pocos años de algo así», dijo Black, describiendo unidades cuánticas de medición inercial que podrían ser mucho más pequeñas que los grandes equipos fijos que empleados actualmente para la investigación y el desarrollo de sensores cuánticos en los laboratorios.
La navegación inercial emplea acelerómetros, giroscopios y un ordenador, lo que se conoce como unidad de medición inercial (IMU), para calcular continuamente la posición, orientación y velocidad de un objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas. Usada para el guiado de aviones y armas militares desde los años sesenta, esta tecnología fue sustituida por el GPS a principios de los noventa.
Menos vulnerable a las perturbaciones que el GPS, la navegación inercial mediante sensores cuánticos se ve como una forma de navegar con precisión similar o superior a la del GPS cuando se vea comprometida o no esté disponible.
Uno de los mayores obstáculos para los dispositivos de detección cuántica que podrían usarse en entornos dinámicos como buques militares, submarinos o aeronaves es conseguir que sean lo bastante pequeños y eficientes energéticamente como para adaptarse a estas plataformas. Pero, al reducir el tamaño de los sensores cuánticos desarrollados hasta ahora, también disminuye su exactitud y precisión. Se trata de un «compromiso, pero un reto asumible» en el que trabajan el NRL, los Laboratorios de Investigación del Ejército y las Fuerzas Aéreas e investigadores de la industria privada, explica Black.
«Se puede imaginar una caja de zapatos que contenga una IMU cuántica» con acelerómetros y giroscopios «bastante razonable», dijo Black a Defensa Nacional. «De momento no estamos ahí. Pero creo que está dentro del ámbito de la física».
Como parte de los nuevos sistemas de navegación inercial, las IMU cuánticas realizarían las mismas funciones que una IMU clásica, «sólo que con mayor precisión y exactitud procedentes de ese sensor durante un periodo de tiempo», añadió.
El Dr. Gerald Borsuk, director asociado de investigación de la Dirección de Sistemas del NRL, dijo que una nueva generación de relojes atómicos de precisión más pequeños, dispositivos que también son sensores cuánticos, podría servir para mantener la hora cuando se deniegue el GPS.
«Un sensor GPS puede seguir sirviendo si tiene hora de precisión por otra fuente», explicó Borsuk.
Los relojes atómicos que miden el tiempo controlando la frecuencia de resonancia de los átomos se emplean desde la década de 1950. Black describió el desarrollo de relojes atómicos miniaturizados de microondas de alto rendimiento y de pequeños relojes atómicos ópticos que miden el tiempo basándose en frecuencias ópticas de cientos de terahercios, como sensores cuánticos resistentes a interferencias que podrían mejorar la resistencia del GPS.
«Ahora se están diseñando los relojes atómicos ópticos más avanzados para que se puedan usar en el campo», explica.
El desarrollo de sensores cuánticos se prolonga por la necesidad de construir prototipos físicos para probarlos en el mundo real. Black explicó que el laboratorio de la Marina y otros grupos de investigación están aplicando la ingeniería digital (modelado y simulación virtuales) para acelerar el proceso.
«Un ejemplo es un programa reciente en el que participamos con la Naval Research Office destinado a poner gravímetros cuánticos en los barcos», reveló.
El grupo de Black en el Naval Research Laboratory aprovechó modelos precisos del movimiento de los barcos para construir un modelo a nivel de física atómica que prevé cómo se comportan los átomos de los gravímetros, sensores que miden la aceleración debida a la gravedad, sin grandes y pesados cardanes de estabilización.
«Resultó que los gravímetros funcionaban bien siempre que se incorporara el conocimiento de las fuentes de error de los gravímetros y se corrigieran», informó.
«Tenemos la intención de acelerar el progreso», concluyó Borsuk. » Creamos nuestro Quantum Science Institute para centrar nuestros esfuerzos en reducir el riesgo que corre la industria de tomar los resultados que hemos creado y aplicarlos».
Fte. National Defense
