¿Qué es la navegación cuántica?

Introducción

La navegación cuántica es una tecnología innovadora basada en el uso de sensores cuánticos para determinar la posición y la orientación de objetos en el espacio. Es capaz de aumentar significativamente la precisión y la fiabilidad de los sistemas de navegación en comparación con los métodos tradicionales que se emplean hoy en día. Esta tecnología promete revolucionar las formas de navegar en condiciones complejas, donde los métodos habituales pueden no ofrecer la precisión necesaria o simplemente resultar inaccesibles.

Los sistemas de posicionamiento global tradicionales (GNSS), como el GPS, se utilizan ampliamente para determinar la posición y la dirección de movimiento en la Tierra. Sin embargo, su fiabilidad depende de la estabilidad de la señal, que puede verse afectada por factores externos, como interferencias, bloqueos e incluso fenómenos cósmicos como las erupciones solares. La dependencia de los GNSS genera vulnerabilidades: si este sistema dejara de funcionar, las consecuencias podrían ser catastróficas para numerosas tecnologías e infraestructuras que se basan en estos datos.

Cuando el GNSS no está disponible, los sistemas actuales suelen recurrir a sistemas de navegación inercial (INS), que realizan una “cuenta muerta”: un proceso de cálculo de la trayectoria basándose en datos de velocidad, dirección y aceleración. Sin embargo, estos sistemas, que emplean sensores clásicos, están sujetos a errores debidos a la deriva y a la acumulación de imprecisiones, lo que reduce su exactitud con el tiempo. Por ejemplo, una INS de alta gama puede mantener una precisión aceptable durante varios meses, mientras que los sistemas de gama baja pueden perder exactitud en cuestión de segundos. Sin la posibilidad de actualizar la información de la posición mediante un GNSS o alguna otra fuente externa, la INS inevitablemente pierde precisión.

En entornos complejos como la navegación submarina, subterránea o espacial, donde el GNSS es inaccesible, los sensores cuánticos pueden convertirse en la solución clave para garantizar una gran precisión y fiabilidad en la “cuenta muerta”.

Sistemas de navegación inercial (INS) tradicionales

Los sistemas de navegación inercial (INS) tradicionales funcionan mediante sensores clásicos, como acelerómetros y giróscopos, que miden la aceleración y la velocidad angular, respectivamente. Estos datos se utilizan para determinar los cambios en la posición y la orientación de un objeto en el espacio. El proceso conocido como “cuenta muerta” permite a la INS seguir el desplazamiento de un objeto sin necesidad de señales externas, como los datos de satélites GNSS.

El principio básico de funcionamiento de la INS consiste en integrar los datos de aceleración y velocidad angular para calcular la velocidad y la posición. Sin embargo, estos sistemas no son perfectos. Los sensores clásicos están sujetos a varios tipos de errores, como la deriva y el ruido, que se van acumulando con el tiempo. Esto conduce a una disminución gradual de la precisión del sistema. Por ejemplo, un error en la medición de la aceleración puede derivar en un cálculo impreciso de la velocidad, lo que a su vez provocará un error en la determinación de la posición. Con el paso del tiempo y la distancia, estos errores se acumulan y la INS se vuelve menos precisa.

Para corregir estos errores, la INS requiere periódicamente datos externos de posición, por ejemplo, de un sistema GNSS. Sin embargo, en condiciones donde el GNSS no está disponible (por ejemplo, bajo el agua, bajo tierra o en el espacio), dicha recalibración es imposible. En consecuencia, la INS continúa acumulando errores, lo que conlleva desviaciones considerables en el cálculo de la posición.

Así, si bien las INS tradicionales son útiles en situaciones donde el GNSS está disponible, presentan limitaciones importantes cuando la señal externa está ausente o es poco fiable. Esto las hace poco adecuadas para misiones autónomas de larga duración en entornos extremos, donde se requiere una alta precisión a lo largo del tiempo.

Fundamentos de la mecánica cuántica en el contexto de la navegación

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia el comportamiento de las partículas a nivel subatómico. Uno de los principios clave de la mecánica cuántica es la naturaleza ondulatoria de las partículas, planteada inicialmente por el físico francés Louis de Broglie en la década de 1920. De Broglie propuso que partículas como protones, neutrones y electrones poseen tanto propiedades corpusculares como ondulatorias. Esto significa que las partículas pueden comportarse como ondas, lo que constituye la base de la mecánica cuántica.

Este principio se aplica también a los átomos (combinaciones de tales partículas). Los átomos, gracias a su naturaleza ondulatoria, son extremadamente sensibles a los cambios en su entorno. Incluso la más mínima alteración, como una variación de la gravedad o de la aceleración, puede modificar su función de onda. Estos cambios son tan minúsculos que resultan imposibles de medir con métodos clásicos. Sin embargo, en mecánica cuántica es posible detectar y utilizar estas alteraciones para realizar mediciones de alta precisión.

Un ejemplo de la aplicación de la teoría cuántica es el uso de relojes atómicos para mantener la sincronización precisa en sistemas de importancia crítica, como el GNSS. Los relojes atómicos, basados en principios cuánticos, ofrecen una precisión inalcanzable con métodos tradicionales de medición del tiempo.

Los sensores cuánticos, basados en estos principios, presentan una capacidad única para detectar cambios en el entorno con una precisión extraordinaria. Por ejemplo, un interferómetro atómico —un dispositivo que emplea las propiedades cuánticas de los átomos para medir variaciones de aceleración o de la gravedad— puede proporcionar una exactitud que supera en varios órdenes de magnitud las posibilidades de los sensores clásicos.

De este modo, los sensores cuánticos tienen el potencial de revolucionar la navegación, especialmente en situaciones donde la precisión y la fiabilidad son parámetros críticos. Al aprovechar principios fundamentales de la mecánica cuántica, como la naturaleza ondulatoria de los átomos y su hipersensibilidad a los cambios en el entorno, los sistemas de navegación cuántica pueden alcanzar un nivel de precisión que antes se consideraba imposible.

Interferometría y sensores cuánticos

La interferometría es un método de medición basado en el principio de interferencia de ondas. El proceso de interferencia consiste en dividir una onda en dos trayectorias, hacer que recorran caminos distintos y luego reunirlas para medir las diferencias entre la onda inicial y la onda combinada. Este método permite detectar incluso los cambios más mínimos en el entorno, como fluctuaciones del campo gravitatorio o variaciones de la aceleración.

Un ejemplo de interferometría es el uso de la luz para medir desplazamientos ínfimos en la posición de un espejo. Un haz de luz se dirige a un espejo semitransparente, que divide el haz en dos. Estos dos haces se reflejan en otros espejos y luego se vuelven a combinar. Si uno de los espejos se ha desplazado, aunque sea una distancia minúscula, este cambio provocará un desplazamiento de fase de las ondas de luz, algo que puede medirse con gran precisión.

En mecánica cuántica, la interferometría se utiliza para medir cambios en las funciones de onda de los átomos. Al igual que las ondas de luz, los átomos pueden dividirse y reunirse para medir el desplazamiento de fase. Este método se conoce como interferometría atómica.

Para llevar a cabo un experimento con un interferómetro atómico, se necesita una nube de millones de átomos. Antes de iniciar el experimento, los átomos se enfrían mediante láseres hasta una temperatura cercana al cero absoluto (0 K). En este estado, los átomos casi no se mueven, lo que permite medir con precisión sus funciones de onda.

Tras el enfriamiento, los átomos se someten a una serie de impulsos láser que provocan la división de sus funciones de onda. Cada impulso láser modifica el impulso de los átomos, lo que da lugar a la división de sus funciones de onda en dos trayectorias. Después de un tiempo determinado, estas trayectorias se vuelven a juntar y se mide el desplazamiento de fase entre ellas. Cualquier alteración que afecte a los átomos, como un cambio en la aceleración o en la gravedad, se traduce en una modificación de sus funciones de onda, que puede medirse con una precisión extraordinaria.

Así pues, la interferometría permite a los sensores cuánticos detectar los cambios más pequeños en el entorno, lo que los hace imprescindibles para mediciones de alta precisión. Los interferómetros atómicos, basados en este principio, ofrecen un potencial enorme para alcanzar una precisión sin precedentes en la navegación, sobre todo en condiciones donde los métodos tradicionales se quedan cortos.

Desafíos y soluciones de la navegación cuántica

A pesar del enorme potencial de la navegación cuántica, existen importantes retos técnicos asociados al uso de sensores cuánticos en condiciones dinámicas. Uno de los principales desafíos consiste en aislar los átomos de los impactos externos, como vibraciones, campos magnéticos y cambios de temperatura. En laboratorios, este problema se resuelve mediante dispositivos complejos y costosos que controlan el entorno. Sin embargo, para el uso de sensores cuánticos en escenarios reales, como vehículos en movimiento, es necesario desarrollar sistemas compactos y resistentes a las perturbaciones externas.

Otro obstáculo es la limitada capacidad de procesamiento y el rango de medición de los sensores cuánticos. A diferencia de los sensores clásicos, que pueden medir la aceleración con alta frecuencia (hasta 500 Hz), los sensores cuánticos funcionan a frecuencias mucho más bajas (alrededor de 1 Hz). Esto significa que pueden pasar por alto cambios rápidos en la aceleración, reduciendo su precisión en escenarios dinámicos.

Para afrontar este problema, se han ideado métodos de fusión de datos obtenidos de sensores cuánticos y clásicos. Los sensores clásicos ofrecen alta frecuencia de medición y un amplio rango, mientras que los sensores cuánticos proporcionan una precisión excepcional sin los problemas de deriva y ruido. Mediante algoritmos complejos e inteligencia artificial, es posible combinar estos datos para compensar las deficiencias de cada tecnología y conseguir una navegación de gran exactitud.

El uso combinado de sensores cuánticos y clásicos permite desarrollar sistemas capaces de funcionar en condiciones extremas con errores mínimos durante largos periodos de tiempo. Esto es especialmente importante para misiones autónomas, como exploraciones espaciales, donde la precisión y la fiabilidad de la navegación son cruciales para el éxito de la misión.

Ventajas de la navegación cuántica

La navegación cuántica ofrece ventajas importantes frente a los métodos tradicionales. En primer lugar, gracias a la extraordinaria precisión de los sensores cuánticos, los sistemas basados en esta tecnología pueden operar sin necesidad de recalibraciones frecuentes. Esto resulta vital para misiones autónomas de larga duración, como las exploraciones interplanetarias, donde es imposible acceder a fuentes externas de corrección de la posición, como el GNSS.

Además, los sensores cuánticos pueden proporcionar gran exactitud en condiciones en las que los métodos tradicionales de navegación son inservibles. Por ejemplo, en entornos submarinos o subterráneos, donde no se dispone de GNSS, la navegación cuántica puede ofrecer una determinación fiable y precisa de la posición durante largos periodos.

Otra ventaja importante de la navegación cuántica es su resistencia a las interferencias externas. En condiciones donde el GNSS puede verse afectado por bloqueos o suplantaciones de señal (spoofing), los sensores cuánticos, que no dependen de señales externas, pueden garantizar una navegación segura y confiable.

En definitiva, la navegación cuántica cuenta con el potencial para mejorar considerablemente la precisión y la fiabilidad de los sistemas de navegación, sobre todo en entornos en los que los métodos tradicionales no son lo suficientemente eficaces.

Perspectivas de desarrollo de la navegación cuántica

La navegación cuántica se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo; sin embargo, la investigación y los avances en este ámbito ya demuestran su valor práctico. Por ejemplo, en el marco de las misiones “Luna-Marte” de la NASA, se prevé el uso de los primeros sistemas de navegación inercial basados en la fusión de sensores clásicos y cuánticos. Estos sistemas, que ya han reducido considerablemente su tamaño en comparación con los prototipos de laboratorio, continúan perfeccionándose.

En el futuro, se espera una mayor reducción de las dimensiones, el peso y el consumo de energía de los sistemas de navegación cuántica, lo que los hará más accesibles y funcionales para su uso generalizado. Por ejemplo, los equipos que hoy ocupan el espacio de un frigorífico podrían llegar a ser del tamaño de un dispositivo portátil.

Estas perspectivas abren inmensas oportunidades para la aplicación de la navegación cuántica no solo en misiones espaciales, sino también en la Tierra, donde la precisión y la fiabilidad de la navegación son fundamentales. Con el tiempo, la navegación cuántica podría convertirse en el estándar para sistemas de navegación de alta precisión, ofreciendo continuidad y exactitud incluso en los entornos más complejos.

Conclusión

La navegación cuántica es una tecnología revolucionaria que puede cambiar drásticamente los enfoques de la navegación en las próximas décadas. Al utilizar los principios de la mecánica cuántica, esta tecnología ofrece un nivel de precisión y fiabilidad inalcanzable con métodos tradicionales.

Gracias a los avances que combinan sensores cuánticos y clásicos, la navegación cuántica se perfila cada vez más como una alternativa viable para su aplicación práctica. En escenarios donde los sistemas de navegación convencionales se topan con limitaciones, la navegación cuántica brinda una solución capaz de garantizar continuidad y precisión sin necesidad de recalibraciones frecuentes.

Esta tecnología resultará especialmente útil en condiciones extremas, como misiones espaciales, investigaciones submarinas o subterráneas, en las que el acceso a datos de navegación externos es limitado o inexistente. En el futuro, la navegación cuántica podría convertirse en la base de la siguiente generación de sistemas de navegación, ofreciendo seguridad y precisión en cualquier punto de la Tierra y más allá.