El poder de los sensores cuánticos

En 2020, la Unión Europea presentó la Strategic Research Agenda for the Quantum Flagship, un documento cuyo objetivo es establecer una dirección clara para el futuro desarrollo de la investigación cuántica y la innovación en Europa. Si bien los ordenadores cuánticos atraen toda la atención, los sensores cuánticos podrían ser igualmente transformadores, permitiendo la producción de vehículos autónomos capaces de ‘ver’ detrás de las esquinas, sistemas de navegación submarina y de alerta temprana para actividades volcánicas y terremotos, y escáneres portátiles que monitorean la actividad cerebral de una persona durante su vida cotidiana.

Los sensores cuánticos constituyen una de las tres ramas de las Tecnologías Cuánticas (QT) junto con la Computación Cuántica y la Comunicación Cuántica; utilizan atributos de la mecánica cuántica como el entrelazamiento (entanglement), y han aumentado la exactitud de los métodos de medición, conectividad e interacciones con el entorno. Estos sensores, de hecho, alcanzan niveles extremos de precisión aprovechando la naturaleza cuántica de la materia, utilizando, por ejemplo, la diferencia entre electrones en diferentes estados energéticos como unidad básica.

En particular, los sensores cuánticos detectan la extrema sensibilidad de los estados cuánticos a las perturbaciones y son capaces de medir pequeñas diferencias en cuanto a temperatura, aceleración, gravedad o tiempo. De esta manera, es posible crear dispositivos para la posición, navegación y cronometraje (Positioning, Navigation and Timing, PNT) que garantizan mediciones más precisas, detección de señales más débiles y la posibilidad de superar los límites fundamentales impuestos por la física clásica. 

Por ejemplo, un sensor cuántico puede medir el campo magnético de una sola neurona en el cerebro, mientras que un sensor clásico solo puede medir el campo magnético de un grupo de neuronas. Esto los hace prometedores para una amplia gama de aplicaciones en diferentes sectores, desde el ámbito médico, químico y farmacéutico, hasta la energía y el medio ambiente, la logística y el transporte, la exploración espacial y la defensa.

La mayor sensibilidad de las tecnologías de detección cuántica, unida a su mayor especificidad, la mejor exactitud en la recopilación de información, la naturaleza no invasiva y a las características del imaging multimodales, está redefiniendo la biomedicina, ya que los sensores pueden reconocer variaciones relativamente mínimas de las características físicas o químicas y distinguir entre moléculas o señales fuertemente relacionadas, aumentando su especificidad y sensibilidad.

Los usos posibles son muchos. Por ejemplo, la gravimetría cuántica está empezando a utilizarse en la detección de pozos de petróleo para sondear el subsuelo sin perforaciones. En la investigación científica y la climatología, los sensores cuánticos pueden ofrecer una contribución extraordinaria al monitoreo del planeta y sus cambios, mientras que en la navegación sirven para ayudar a mantener el rumbo sin puntos de referencia externos.

También en el ámbito militar, la detección cuántica en el cielo, el mar o las carreteras puede ser aprovechada para la orientación en situaciones en las que el GPS no está disponible, ya que los sensores cuánticos son invulnerables y adecuados para su uso en cualquier condición climática. Una aplicación clásica es la de la navegación en cubierta de submarinos. 

Las aplicaciones potenciales de estos sensores incluyen también la agricultura y la detección de riesgos ambientales. Por un lado, son propedéuticos para la implementación de la agricultura de precisión, permitiendo a los agricultores optimizar las prácticas de riego y fertilización; por el otro, los sensores cuánticos pueden usarse para medir en tiempo real los gases atmosféricos, como el dióxido de carbono y el metano, responsables del cambio climático.

La combinación de computación cuántica y sensores cuánticos con inteligencia artificial (IA) tiene el potencial de acelerar la innovación de forma exponencial, como se explica en el informe del Future Trends Forum sobre computación cuántica de la Fundación Innovación Bankinter. Sin embargo, el reto ahora es trasladar estos avances de los entornos experimentales a aplicaciones reales, escalables y robustas, y trabajar en el ámbito normativo y regulatorio para asegurar que estas tecnologías no aumenten las desigualdades ni se usen de manera poco ética.

De hecho, la mayoría de los sistemas de detección cuántica sigue siendo costosa, sobredimensionada y compleja, pero una nueva generación de sensores más pequeños y accesibles pronto debería abrir nuevas posibilidades. Los investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) han utilizado métodos de fabricación convencionales para integrar un sensor cuántico basado en diamantes en un chip de silicio, comprimiendo componentes tradicionalmente voluminosos en una superficie de pocos décimos de milímetro de ancho. El prototipo es un paso hacia dispositivos de bajo costo, producidos en masa, que funcionan a temperatura ambiente y que podrían utilizarse para cualquier aplicación que implique mediciones precisas de campos magnéticos débiles.

También hay que decir que todavía los sistemas cuánticos siguen siendo extremadamente susceptibles a las interferencias, lo que podría limitar su aplicación a entornos controlados. Pero gobiernos y empresas están invirtiendo en este y otros desafíos: el Reino Unido, por ejemplo, ha invertido 370 millones de euros en la segunda fase de su Programa Nacional de Computación Cuántica (2019-2024). Los analistas del sector esperan que los sensores cuánticos lleguen al mercado en un plazo aproximado de entre tres y cinco años, con un énfasis inicial en las aplicaciones médicas y de defensa. El camino ya está marcado.