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El gato de Schrödinger se encuentra con las plataformas magnetomecánicas

Sabemos que los sensores cuánticos, cuando estén disponibles, superarán a sus homólogos tradicionales en casi todos los aspectos. Pero, ¿cómo podemos observar y cuantificar estas ventajas? Aquí está la nueva plataforma tecnológica de MaQSens.

Investigación fundamental

Los sensores cuánticos figuran entre las aplicaciones más interesantes de la física cuántica. El Pentágono los quiere en los futuros satélites, los proveedores de servicios de navegación ven en ellos el futuro del GPS y, sí, incluso los médicos puede que un día se fíen de los sensores cuánticos para detectar los primeros indicios de enfermedad. Sin embargo, a pesar de que las posibilidades parecen ilimitadas, los investigadores todavía necesitan mejores plataformas tecnológicas para llevar a cabo experimentos. En concreto, el proyecto MaQSens tenía como objetivo desarrollar una plataforma capaz de responder a la pregunta crucial: ¿cómo podemos utilizar las prestaciones o los métodos cuánticos de la física cuántica para mejorar nuestras capacidades de detección actuales? El proyecto se centró especialmente en los sensores inerciales, que se emplean en las mediciones de fenómenos sísmicos y la navegación. Markus Aspelmeyer, cocoordinador del proyecto en representación de la Universidad de Viena, comenta: «Responder a esta pregunta requiere un alto nivel de control sobre un objeto que es susceptible a las fuerzas externas. La computación cuántica ha llevado el desarrollo de los elementos superconductores para el control cuántico a un ritmo impresionante y, en el ámbito de la nanomecánica, se han visto avances similares a lo largo de las últimas décadas. En MaQSens, combinamos estos avances. Los utilizamos en una plataforma que proporciona acceso al control cuántico de masas mucho mayores de lo que antes era posible y, por tanto, traspasa las fronteras de la detección inercial». Los padres fundadores de la teoría cuántica (¿recuerdan el gato de Schrödinger?) lo sabían bien. Demostrar los efectos cuánticos de objetos grandes o incluso enormes es el santo grial de la ciencia cuántica y diseñar una plataforma para ello sería un gran avance increíble.

Una esfera superconductora

Para lograr dicha demostración, el equipo del proyecto utiliza pequeños objetos superconductores como sondas extremadamente sensibles para fuerzas y aceleraciones. Tal y como destaca Aspelmeyer, la principal innovación radica en la combinación que hace el proyecto de distintas ideas y tecnologías como la nanomecánica, la física atómica e incluso la computación cuántica para controlar las propiedades cuánticas del movimiento de los objetos en una plataforma del tamaño de un chip. Según cuenta Michael Trupke, un investigador posdoctoral experto que también participó activamente en el proyecto: «Empezamos con una esfera superconductora que mide unos cientos de milímetros. Fijamos esta esfera a un pequeño haz mecánico o la levitamos empleando campos magnéticos que son generados por bobinas superconductoras. La esfera se mantiene cercana a otra bobina que está conectada a un circuito llamado superconductor, que actúa como sistema cuántico externo. De esta forma, el movimiento de la esfera se acopla al circuito, lo cual significa que pueden influirse mutuamente». A partir de aquí, el equipo puede utilizar la interacción con el sistema cuántico para controlar el movimiento de la esfera en el régimen cuántico. El objetivo es, por ejemplo, enfriarlo hasta un nivel en el que su movimiento solo esté dominado por las fluctuaciones cuánticas. «Al mismo tiempo, podemos utilizar el circuito cuántico para hacer una lectura del movimiento de la esfera superconductora. Por tanto, un desplazamiento adicional, por ejemplo, debido al movimiento de todo el aparato o a alguna fuerza externa, puede ser detectado con una sensibilidad extrema. Todo ello se integra en una arquitectura en miniatura de un chip de tan solo unos pocos centímetros cuadrados de tamaño», prosigue Trupke.

Próxima parada: el régimen de detección cuántico

A tan solo unos meses de concluir, el proyecto ya ha dado lugar al desarrollo de varios prototipos de plataforma. En particular, el equipo ha logrado la levitación de un superconductor microscópico sin apenas amortiguamiento, lo cual es una condición previa necesaria para la detección inercial. En última instancia, esto permitirá lograr un control sin igual para la detección cuántica combinada con un acceso único al régimen de grandes masas. «El próximo hito importante es explotar el acoplamiento ya demostrado a los circuitos cuánticos superconductores para entrar en el régimen de detección cuántica. Todos los esfuerzos del equipo se centran en esto en este momento», declara Aspelmeyer. A la larga, Aspelmeyer y Trupke anticipan una gran repercusión en ámbitos como la aviónica y el espacio, en los que los estrictos requisitos para los sensores inerciales todavía plantean desafíos no resueltos para las tecnologías existentes. Además, esperan que la plataforma de MaQSens facilite una generación totalmente nueva de estudios de física fundamental de fenómenos cuánticos macroscópicos, entre los que figuran los efectos cuánticos bajo la influencia de la gravedad.

Palabras clave

MaQSens, sensor cuántico, detección, plataforma tecnológica, sensor inercial, nanomecánica, régimen de grandes masas

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