La metrología se ocupa de definir, regular y mantener las unidades de medida: segundo, metro, kilogramo, etc. Pero su importancia va más allá y está presente, aunque parezca invisible, en muchos aspectos de la vida cotidiana, como en las actuales redes de servicios, proveedores y comunicaciones de las que nos hemos vuelto tan dependientes. La metrología vela para que su funcionamiento sea eficaz y fiable. En definitiva, las distintas formas de medición física y química influyen en la calidad del mundo en el que vivimos. Se atribuye a Galileo el dicho «mide lo que puedas medir, y lo que no puedas medir, hazlo medible». De ahí su papel esencial en las ciencias naturales.
La metrología cuántica se ocupa del estudio y desarrollo para realizar mediciones de alta resolución y altamente sensibles de magnitudes físicas, también llamadas parámetros, utilizando las propiedades de la mecánica cuántica, especialmente explotando el entrelazamiento cuántico. Las tecnologías cuánticas establecen una hoja de ruta para su desarrollo en la que la metrología cuántica ocupa el primer estadio junto con la sensórica cuántica, estrechamente relacionadas ambas. Después, se espera el desarrollo de la criptografía cuántica, dejando la simulación y computación cuánticas para el largo plazo.
¿Qué tiene que ver la física cuántica con la metrología? Mucho, podríamos decir que la física cuántica es la teoría más metrológica que hay por varias razones. Una de las características principales de la física cuántica es la naturaleza discreta de muchas magnitudes físicas, como la energía de una partícula, o sus momentos angulares orbital o de espín. El carácter discreto de estas magnitudes físicas se presta a una mejor medición experimental que si fuesen magnitudes continuas como sucede en la física clásica de Newton y Galileo, entre otros. Curiosamente, uno de los postulados de la mecánica cuántica se llama «de la medida» porque juega un papel esencial y distinto en la teoría cuántica que en las teorías clásicas.
Por otro lado, las magnitudes cuánticas son muy sensibles a los efectos perturbadores del medio que las rodea. Esta sensibilidad se vuelve de gran utilidad para hacer sensórica y medir con sensores cuánticos propiedades como campos gravitatorios, eléctricos, magnéticos, etc., y su posterior aplicación práctica. Los sensores cuánticos son un caso de serendipia. Así, un sistema cuántico (cúbit) es muy frágil pues interacciona muy fácilmente con el ambiente que lo rodea. Pero un sensor es justamente un dispositivo que se utiliza para sondear su entorno y obtener información física útil. De este modo, el problema de la fragilidad de los sistemas cuánticos se vuelve una virtud. Los sensores cuánticos se aprovechan del principio de superposición, y en general del entrelazamiento cuántico, para lograr una mayor sensibilidad y resolución. Esto se vuelve de gran utilidad para medir, por ejemplo, vacíos debajo del suelo, para la detección de depósitos minerales sin hacer excavaciones, y también se utilizarán para proporcionar el diagnóstico no invasivo en zonas dañadas o enfermas.
Las dos revoluciones cuánticas: discretización y entrelazamiento
Actualmente se distinguen dos tipos de revoluciones cuánticas tecnológicas, tanto por sus orígenes fundamentales como por sus aplicaciones. Ambas revoluciones se aplican a la metrología cuántica.
La primera revolución cuántica de las tecnologías se basa en la naturaleza discreta de las magnitudes físicas comentadas anteriormente, como los estados de energía de los átomos. La discretización de la física cuántica está estrechamente vinculada a la digitalización de las tecnologías que tanto ha cambiado nuestro mundo, y por ende a una mayor precisión que los mecanismos analógicos. La comprensión y aplicación de las leyes físicas del mundo atómico microscópico de la mecánica cuántica resultó a mediados del siglo xx en tecnologías innovadoras tales como el transistor y el láser. El impacto de esta primera revolución cuántica en nuestra sociedad difícilmente se puede subestimar. Ahora, nuestra creciente capacidad para manipular los efectos cuánticos en sistemas y dispositivos personalizados está allanando el camino para una segunda revolución cuántica.
La segunda revolución cuántica de las tecnologías se basa en el principio de superposición de la mecánica cuántica. El caso más emblemático se ejemplifica con el experimento de la doble rendija, en el que las propiedades de una única partícula entran en superposición. Cuando la superposición cuántica afecta a varias partículas, el fenómeno resultante es el entrelazamiento cuántico, que es el recurso fundamental en la información cuántica. Con ello se consigue nuevos algoritmos cuánticos, simuladores cuánticos, etc. El principio de superposición es la manifestación del llamado paralelismo cuántico, por medio del cual se puede almacenar una cantidad ingente (exponencial) de información y aplicar múltiples operaciones a la vez (en paralelo).
Se espera que en última instancia las tecnologías cuánticas puedan abrir nuevas oportunidades para abordar los grandes retos en campos como la energía, la salud, la seguridad y el medio ambiente. Algunos ya están empezando a ser explotados comercialmente. Otros aún podrían requerir años de investigación y desarrollo cuidadoso. Y, sin embargo, otros no podemos ni imaginarlos hoy en día, hasta que no los tengamos disponibles en nuestras manos como ya sucedió con el láser y el transistor.
El nuevo sistema internacional (SI) de unidades de medida
La piedra angular sobre la que se sustenta la metrología es el sistema SI de unidades de medida. Medir es un objetivo principal en la física, la química y otras ciencias naturales. Una magnitud física es una propiedad que se puede medir mediante algún aparato de medida. Así, el valor de la medida es algo objetivo. Para medir, se compara una magnitud física con una unidad que sirve de referencia y se materializa en un patrón de medida. De aquí que definir las unidades de medida apropiadamente sea crucial en metrología. En la antigüedad, medir y pesar se hacía mediante unidades basadas en artefactos como el codo del brazo del faraón, para medir longitudes, recipientes, para medir capacidades de líquidos, cereales, etc.
La renovación del Sistema Internacional de Unidades (SI), aprobada en la asamblea de la 26ª Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) reunida en Versalles del 13 al 16 de noviembre de 2018, fue puesta en marcha en 2019. Constituye una gran revolución porque propone definir todas las unidades físicas básicas en función de 7 constantes definitorias cuyos valores se toman como fijos y sin incertidumbre, a partir de los cuales se van derivando las unidades de medida empezando por la unidad de tiempo, el segundo, luego, la unidad de longitud, el metro, y así sucesivamente pasando por el kilogramo (masa), el amperio (intensidad de corriente eléctrica), el kelvin (temperatura), el mol (cantidad de sustancia) y la candela (intensidad luminosa). De esta manera se consigue que las unidades del SI sean independientes del dispositivo, lo que trae consigo grandes ventajas como que la unidad de una cierta magnitud no se deteriore con el tiempo y que se pueda distribuir o realizar por todos los lugares del mundo, contribuyendo así a su universalidad y estabilidad.
Para conseguir estas ventajas, la revisión del SI se ha basado en los siguientes principios: 1) separar las definiciones de las unidades de sus realizaciones experimentales concretas, lo cual permite que las unidades puedan materializarse independientemente en cualquier lugar y en cualquier momento; 2) emplear definiciones de unidades basadas en constantes de la naturaleza cuyos valores se fijan como exactos, ya que son inmutables al estar asociados a leyes de la naturaleza bien conocidas y contrastadas experimentalmente; 3) crear una base segura para futuros desarrollos, ya que pueden añadirse nuevas realizaciones prácticas de las unidades a medida que se desarrollan nuevas tecnologías, sin necesidad de redefinir la unidad que sigue vinculada a una constante de la naturaleza. Detrás de cada constante fundamental hay una de las teorías fundamentales de la física: podemos decir que representan el ADN de nuestro universo. Si hubiera otros universos, cada uno tendría un conjunto de constantes fundamentales diferente.
Áreas de metrología y sensórica cuántica
Actualmente, se pueden distinguir varios grandes grupos de aplicaciones de la metrología cuántica, como los siguientes:
Gravitación, rotación y aceleración. Se utilizan técnicas de interferometría de átomos fríos, que permiten que interactúen con la materia durante un tiempo relativamente largo. Esto aumenta la sensibilidad y la precisión de las mediciones, lo que da lugar a una gravimetría, acelerómetros y giroscopios de alta precisión y sin deriva. Los dispositivos que utilizan estas técnicas pueden utilizarse en ingeniería civil, sistemas de navegación inercial y para la prospección y exploración de recursos naturales.
Tiempo. Esta es una de las áreas más desarrolladas de las tecnologías cuánticas. Los relojes atómicos ya utilizan estándares de microondas de fuente de cesio. Sin embargo, a medida que aumentan los requisitos de precisión, se necesitan nuevas tecnologías. Actualmente, los relojes atómicos ópticos son una realidad. Utilizan luz en el espectro visible y proporcionan una precisión horaria muy superior (hasta cien veces mayor). Pueden ser útiles en los sectores de las telecomunicaciones, sectores energéticos y para una sincronización óptima de las redes de comunicaciones (proveedores del tiempo universal terrestre).
Campos Magnéticos. Los magnetómetros que aprovechan vacantes de nitrógeno en el diamante son capaces de medir campos magnéticos muy pequeños. Aunque los dispositivos de interferencia cuántica con superconductores actuales (SQUID por sus siglas en inglés) pueden obtener una precisión de medición similar, requieren refrigeración criogénica; los magnetómetros de centros de vacantes de nitrógeno, en cambio, funcionan a temperatura ambiente. Pueden utilizarse para detectar y monitorizar la actividad del cerebro humano con grandes aplicaciones médicas.
Detección Química. Son técnicas que explotan los efectos cuánticos, como los puntos cuánticos, en las estructuras semiconductoras a la nanoescala. Los dispositivos que utilizan estas técnicas son instrumentos potencialmente útiles para preservar la legalidad, por ejemplo, para detectar sustancias ilegales.
Imágenes. Entre las técnicas de obtención de imágenes mejoradas por medios cuánticos se encuentran las que emplean fotones correlacionados que mejoran sustancialmente la calidad de la imagen reduciendo el ruido de fondo, la microscopía multifotónica cuántica o la interferometría cuántica. Los dispositivos que explotan estas técnicas pueden aumentar enormemente la resolución de las imágenes.
El mundo tecnológico actual y su desarrollo futuro dependerá en gran medida de la calidad y precisión de los sensores utilizados en cada vez un mayor número de aplicaciones. La metrología cuántica está llamada a ser el primer protagonista de la segunda revolución cuántica en marcha.
