Avanzando más allá del GPS: el potencial de los chips fotónicos cuánticos para transformar la navegación con drones

por Tatsuya Nakamura
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Quantum Photonic Chips in Drone Navigation

Los investigadores están trabajando para utilizar el concepto de amplificación de valor débil en la mecánica cuántica para sustituir a los giroscopios en la tecnología de drones.

Los científicos de la Universidad de Rochester están en el proceso de crear chips fotónicos diseñados para reemplazar los giroscopios actualmente empleados en vehículos aéreos no tripulados (UAV). El objetivo es facilitar la navegación de los drones en entornos donde las señales de GPS están obstruidas o son inexistentes. Aprovechando una metodología cuántica conocida como amplificación de valor débil, el equipo de investigación aspira a alcanzar el mismo nivel de sensibilidad que el de los giroscopios ópticos convencionales, pero dentro del factor de forma compacto de los chips fotónicos portátiles. Esto podría alterar fundamentalmente los sistemas de navegación utilizados en los drones.

Financiamiento y obstáculos en la tecnología de giroscopios

Jaime Cárdenas, profesor asociado del Instituto de Óptica, recibió una nueva subvención de la Fundación Nacional de Ciencias para promover el desarrollo de este chip fotónico hasta el año 2026. Cárdenas señala que los giroscopios de fibra óptica que se utilizan actualmente en drones de última generación A menudo contienen bobinas de fibra de kilómetros de longitud o poseen un rango dinámico restringido.

La investigación, apoyada por la National Science Foundation, tiene como objetivo desarrollar estos chips fotónicos utilizando amplificación de valor débil como método para reemplazar los giroscopios mecánicos tradicionales en los UAV. Crédito de la foto: Universidad de Rochester / J. Adam Fenster

"En el paradigma existente, existe un equilibrio intrínseco entre la sensibilidad y la estabilidad del giroscopio frente a sus dimensiones y peso", afirma Cárdenas. “A medida que los vehículos aéreos no tripulados, los drones y los satélites se vuelven cada vez más compactos y generalizados, se espera que la demanda de giroscopios ultrapequeños aptos para la navegación aumente significativamente. Aunque los giroscopios miniaturizados de última generación actuales son compactos y resistentes, se enfrentan a una brecha de rendimiento que limita su aplicabilidad en los sistemas de navegación”.

El papel de la amplificación del valor débil y los esfuerzos colaborativos

Cárdenas aclara que la amplificación de valor débil tiene beneficios sobre las técnicas tradicionales al amplificar la señal en mediciones interferométricas sin incurrir en los costos asociados con la elevación de diversos tipos de ruido técnico. Los intentos anteriores de implementar la amplificación de valores débiles requirieron configuraciones de laboratorio elaboradas con alineaciones exactas. Sin embargo, Cárdenas está decidido a incorporar esta técnica cuántica en un minúsculo chip fotónico equipado con un resonador de anillo de factor de alta calidad.

Colaborando con Cárdenas en esta iniciativa de investigación está el físico Andrew Jordan, quien anteriormente estuvo afiliado a la Universidad de Rochester y ahora es miembro de la facultad de la Universidad Chapman. Además, Cárdenas planea colaborar con el Centro David T. Kearns para el Liderazgo y la Diversidad de la Universidad. El objetivo es ampliar la participación de grupos marginados ofreciendo experiencias de investigación a estudiantes de secundaria del Distrito Escolar de la Ciudad de Rochester, con la intención de fomentar su interés en las carreras STEM.

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre chips fotónicos cuánticos en navegación con drones

¿Cuál es el enfoque principal de la investigación en la Universidad de Rochester?

La atención se centra principalmente en el desarrollo de chips fotónicos diseñados para sustituir los giroscopios tradicionales en vehículos aéreos no tripulados (UAV) o drones. Estos chips tienen como objetivo permitir la navegación con drones en entornos donde las señales de GPS no están disponibles o están bloqueadas. Los investigadores están utilizando una técnica cuántica llamada amplificación de valor débil para lograr este objetivo.

¿Quién lidera esta investigación y cuál es la fuente de financiación?

La investigación está dirigida por Jaime Cárdenas, profesor asociado del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester. El proyecto está financiado por una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias, que se espera que apoye la investigación hasta el año 2026.

¿A qué desafíos se enfrenta la actual tecnología giroscópica en drones?

La tecnología giroscópica actual se enfrenta a un equilibrio entre sensibilidad y estabilidad por un lado y tamaño y peso por el otro. A medida que los vehículos aéreos no tripulados y los drones se vuelven más pequeños y más extendidos, existe una necesidad cada vez mayor de giroscopios ultrapequeños aptos para navegación. Los giroscopios miniaturizados existentes, aunque compactos y resistentes, adolecen de una brecha de rendimiento que limita su utilidad en los sistemas de navegación.

¿En qué se diferencia la amplificación de valores débiles de los métodos tradicionales?

La amplificación de valores débiles ofrece la ventaja de potenciar la señal en mediciones interferométricas sin el inconveniente de amplificar diversos tipos de ruido técnico. Los métodos tradicionales generalmente requieren configuraciones de laboratorio elaboradas con alineaciones precisas, pero los investigadores pretenden implementar una amplificación de valores débiles en un chip fotónico compacto con un resonador de anillo de factor de alta calidad.

¿Quiénes son los colaboradores de este proyecto?

El físico Andrew Jordan, ex miembro de la facultad de la Universidad de Rochester y ahora de la Universidad Chapman, colabora en esta investigación. Además, Jaime Cárdenas planea trabajar con el Centro David T. Kearns para el Liderazgo y la Diversidad para involucrar a grupos subrepresentados ofreciendo experiencias de investigación a estudiantes de secundaria del Distrito Escolar de la Ciudad de Rochester.

¿Cuál es el impacto más amplio de esta investigación?

La investigación tiene el potencial de revolucionar la navegación con drones al hacerla más confiable y versátil, especialmente en entornos donde el GPS no está disponible o está comprometido. También podría allanar el camino para avances en otros campos que dependen de la navegación precisa, como los satélites. Además, al involucrar a grupos subrepresentados en la investigación, el proyecto tiene como objetivo fomentar una fuerza laboral futura más diversa en los campos STEM.

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