Desmonta un teléfono inteligente, un rastreador de actividad física o un casco de realidad virtual y en su interior encontrarás un pequeño sensor de movimiento que rastrea su posición y movimiento. Versiones más grandes y caras de la misma tecnología, aproximadamente del tamaño de una toronja y mil veces más precisas, ayudan a barcos, aviones y otros vehículos a navegar con GPS.
Ahora, los científicos están tratando de desarrollar un sensor de movimiento lo suficientemente preciso como para minimizar la dependencia del país de los satélites de posicionamiento global. Hasta hace poco, un sensor de este tipo, mil veces más sensible que los dispositivos de navegación actuales, habría llenado un camión de mudanzas. Pero los avances están reduciendo drásticamente el tamaño y el costo de esta tecnología.
Por primera vez, investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia han utilizado componentes de microchips fotónicos de silicio para realizar una técnica de detección cuántica llamada interferometría atómica, un método de alta precisión para medir la aceleración. Es el último hito en el desarrollo de una especie de brújula cuántica para la navegación cuando las señales de GPS no están disponibles.
El equipo publicó sus hallazgos e introdujo un nuevo modulador fotónico de silicio de alto rendimiento, un dispositivo que controla la luz en un microchip, como artículo de portada en la revista. Avances en la ciencia.
La investigación fue apoyada por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Sandia. Esto tuvo lugar, en parte, en el Centro de Fotónica de Seguridad Nacional, un centro de investigación colaborativa que desarrolla soluciones fotónicas integradas para problemas complejos en el sector de seguridad nacional.
La navegación sin GPS es una cuestión de seguridad nacional.
“La navegación precisa en escenarios del mundo real se convierte en un desafío cuando las señales GPS no están disponibles”, dijo el científico de Sandia, Jongmin Li.
En una zona de guerra, estos desafíos plantean amenazas a la seguridad nacional, ya que las unidades de guerra electrónica pueden interferir o falsificar señales satelitales para interrumpir los movimientos y operaciones de las tropas.
La detección cuántica ofrece una solución.
“Utilizando los principios de la mecánica cuántica, estos sensores avanzados proporcionan una precisión sin precedentes en la medición de la aceleración y la velocidad angular, lo que permite una navegación precisa incluso en áreas sin GPS”, dijo Lee.
El modulador es el núcleo de un sistema láser a escala de chip.
En general, un interferómetro atómico es un sistema sensor que llena una habitación pequeña. Una brújula cuántica completa, más precisamente llamada unidad de medida inercial cuántica, requeriría seis interferómetros atómicos.
Pero Lee y su equipo están buscando formas de reducir sus requisitos de tamaño, peso y potencia. Ya reemplazaron una gran bomba de vacío que consume mucha energía por una cámara de vacío con forma de aguacate y combinaron varios componentes que normalmente estarían delicadamente dispuestos sobre una mesa óptica en un solo aparato rígido.
El nuevo modulador es el núcleo del sistema láser en un microchip. Lo suficientemente resistente como para soportar fuertes vibraciones, reemplazará los sistemas láser convencionales que suelen ser del tamaño de un refrigerador.
Los láseres realizan muchas funciones en un interferómetro atómico y el equipo de Sandia utiliza cuatro moduladores para cambiar la frecuencia de un láser para realizar diferentes funciones.
Sin embargo, los moduladores suelen crear ecos no deseados llamados bandas laterales que deben reducirse.
El modulador de banda lateral única de portadora suprimida de Sandia reduce estas bandas laterales en una cifra sin precedentes de 47,8 decibeles (una medida utilizada a menudo para describir la intensidad del sonido pero que también se aplica a la intensidad de la luz), lo que da como resultado una reducción de aproximadamente 100.000 veces.
“Hemos logrado mejoras significativas en el rendimiento con respecto a lo que había antes”, dijo el científico de Sandia, Ashok Kodigala.
Un dispositivo de silicio se puede producir en masa y es más asequible.
Además del tamaño, el costo ha sido un obstáculo importante para el despliegue de dispositivos de navegación cuántica. Cada interferómetro atómico requiere un sistema láser, y los sistemas láser requieren moduladores.
“Sólo un modulador de banda lateral única de tamaño completo, disponible comercialmente, cuesta más de 10.000 dólares”, dijo Lee.
Miniaturizar componentes voluminosos y costosos en chips fotónicos de silicio ayuda a reducir estos costos.
“Podemos construir cientos de moduladores en una oblea de 8 pulgadas e incluso más en una oblea de 12 pulgadas”, dijo Kodigala.
Y debido a que se pueden fabricar usando el mismo proceso que prácticamente todos los chips de computadora, “este componente de cuatro canales de última generación, que incluye características personalizadas adicionales, se puede fabricar a un costo mucho menor que las alternativas comerciales actuales”. “Se fabricarán a escala, lo que permitirá la producción cuántica de unidades de medida conectadas a bajo costo”, dijo Li.
A medida que la tecnología se acerca al despliegue en el campo, el equipo está explorando otros usos además de la navegación. Los investigadores están investigando si puede ayudar a localizar cavidades y recursos subterráneos al detectar pequeños cambios en la gravedad de la Tierra. También ve el potencial de los componentes ópticos que inventó, incluidos los moduladores, en LIDAR, la computación cuántica y las comunicaciones ópticas.
“Creo que es realmente interesante”, dijo Kodigala. “Estamos avanzando mucho en la miniaturización para muchas aplicaciones diferentes”.
Un equipo multidisciplinario está haciendo realidad el concepto de brújula cuántica.
Lee y Kodigala representan dos partes del equipo multidisciplinario. La mitad, incluido Lee, está formada por expertos en mecánica cuántica y física atómica. La otra mitad, como Kodigala, son expertos en fotónica de silicio: piense en un microchip, pero en lugar de electricidad corriendo por sus circuitos, hay rayos de luz.
Estos equipos colaboran en el Complejo de Ingeniería, Ciencia y Aplicaciones de Microsistemas de Sandia, donde los investigadores diseñan, desarrollan y prueban chips para aplicaciones de seguridad nacional.
“Tenemos socios con los que podemos hablar y descubrir cómo resolver estos problemas críticos para llevar esta tecnología al campo”, dijo Peter Schundt, científico de detección cuántica en Sandia.
El gran proyecto del equipo (convertir interferómetros atómicos en una brújula cuántica compacta) cierra la brecha entre la investigación básica en el mundo académico y el desarrollo comercial en las empresas de tecnología. Los interferómetros atómicos son una tecnología probada que puede ser una excelente herramienta para la navegación sin GPS. Los esfuerzos continuos de Sandia están dirigidos a hacerlo más estable, viable y comercialmente viable.
El Centro de Fotónica de Seguridad Nacional colabora con la industria, las pequeñas empresas, el mundo académico y las agencias gubernamentales para ayudar a desarrollar nuevas tecnologías y lanzar nuevos productos. Sandia tiene cientos de patentes emitidas y decenas más pendientes que respaldan su misión.
“Me apasiona ver cómo estas tecnologías se trasladan a aplicaciones reales”, dijo Schundt.
Michael Gehl, un científico de Sandia que trabaja con fotónica de silicio, comparte el mismo sentimiento. “Es fantástico ver que nuestros chips fotónicos se utilizan en aplicaciones del mundo real”, afirmó.
Sandia National Laboratories es un laboratorio multipropósito operado por National Technology and Engineering Solutions de Sandia LLC, una subsidiaria de propiedad total de Honeywell International Inc., para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Sandia Labs tiene importantes responsabilidades de investigación y desarrollo en disuasión nuclear, seguridad global, defensa, tecnologías energéticas y competitividad económica, con importantes instalaciones en Albuquerque, Nuevo México y Livermore, California.
