Salto cuántico: cómo los sensores cuánticos están revolucionando la robótica

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La reciente película Ant-Man hizo un gran trabajo al poner lo cuántico en la luz, pero el futuro de la ciencia cuántica brilla incluso más que la ficción. Una aplicación, los sensores cuánticos, ya es la base de algunos de los sistemas y tecnologías más importantes de nuestro mundo: los sistemas de posicionamiento global (GPS) y los escáneres de imágenes por resonancia magnética (MRI) son excelentes ejemplos.

Cuántico Los sensores y la IA cuántica son solo el comienzo: los robots ahora también están recibiendo el tratamiento de sensores cuánticos. Los sensores cuánticos potenciarán la forma en que funcionan los robots y cómo los aplicamos a importantes desafíos del siglo XXI.

La tecnología moderna está llena de sensores que miden el calor, la luz, el movimiento, la presión u otros aspectos del entorno físico. Los sensores cuánticos añaden algo nuevo. Utilizan las propiedades cuánticas de cómo se comportan las partículas a escala atómica para detectar pequeños movimientos o cambios en campos gravitacionales, eléctricos o magnéticos.

Debido a que funcionan a una escala tan pequeña, los sensores cuánticos pueden medir la luz u otros fenómenos observables con extrema precisión. También significa que pueden proporcionar una medición muy precisa y estable, ya que miden propiedades como la estructura de los átomos o el espín de las partículas atómicas, que nunca cambian.

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Esta precisión y confiabilidad hacen que los sensores cuánticos sean muy útiles. Se aseguran de que el tictac de los relojes atómicos se mantenga fiel al ritmo del tiempo, una cualidad que los sitúa en el corazón del GPS y otros sistemas de posicionamiento, navegación y temporización (PNT). También se utilizan ampliamente en escáneres de resonancia magnética para proporcionar a los médicos imágenes de diagnóstico muy detalladas. Y también están ayudando a mejorar los datos ambientales disponibles para los científicos y la industria, un aspecto vital de los esfuerzos globales de sostenibilidad.

Sin embargo, es importante mencionar que a veces ser tan preciso y sensible puede resultar menos útil. Esto se debe a que genera mucho ruido en los datos. Los datos ruidosos son un desafío que equipos como nuestro equipo de ciencia de datos cuánticos de EY están abordando mediante la implementación de IA para separar los conocimientos del ruido.

De hecho, combinar la detección cuántica con otras tecnologías es una estrategia con mucho potencial. La detección cuántica y la robótica son un buen ejemplo. El pequeño tamaño de la mayoría de los sensores cuánticos, además de su alta sensibilidad, ya han llevado a su uso como elementos sensores táctiles en cables de fibra óptica para brazos robóticos, ayudando al brazo robótico a percibir su entorno mediante la detección de información precisa sobre presión, vibración, temperatura o textura.

También están surgiendo otras aplicaciones potenciales de esta poderosa combinación. Por ejemplo, estamos empezando a ver sensores cuánticos combinados con robots móviles. La información sobre el entorno detectada por los sensores, como pequeños cambios de temperatura o campos magnéticos, puede permitir al robot tomar decisiones y movimientos más precisos, así como recopilar datos valiosos para otros fines.

Lo probamos nosotros mismos conectando un sensor cuántico a Spot, un robot cuadrúpedo diseñado para moverse y recopilar datos. El sensor cuántico que probamos está diseñado para medir el tipo de luz que influye en el crecimiento de las plantas, llamada radiación fotosintéticamente activa (PAR). Más precisamente, el sensor mide la cantidad de fotones fotosintéticamente activos en un lugar particular en un momento dado para ver cuánto PAR recibiría una planta en ese lugar.

Debido a que el sensor es robusto y confiable en entornos como invernaderos iluminados artificialmente, tanto bajo el agua como bajo tierra, conectarlo a robots móviles como Spot tiene un valioso potencial en la agricultura, donde el monitoreo y la gestión de la luz son vitales. También podría ayudar a modelar bioecosistemas emergentes a gran escala, como plantaciones en el desierto o granjas subterráneas, para ayudar a utilizarlos para abordar la seguridad alimentaria mundial.

Ya estamos viendo investigaciones pioneras en esta área, como un proyecto de Qatar que estudia estrategias de cultivo óptimas para plantas de invernadero muy sensibles a la luz como los tomates, un proyecto que alimenta la seguridad alimentaria del país centrándose en productos cultivados localmente en lugar de importados.

Para una prueba de concepto simple, conectamos nuestro sensor a Spot con un soporte GoPro estándar y programamos el robot para que se moviera por el jardín de nuestra oficina para que el sensor pudiera tomar mediciones de luz. Nuestro primer descubrimiento fue que, lamentablemente, el invierno en Dinamarca “no es óptimo” para nuestras plantas.

El segundo fue comprobar de primera mano por qué combinar sensores cuánticos con robots móviles tiene tanto potencial. Vimos un valor particular en la capacidad de programar Spot para que tome medidas periódicas en el jardín a lo largo del tiempo.

Más allá de los usos agrícolas de los sensores PAR montados en robots como el de Spot, los robots con sensores de gravedad cuántica podrían transformar nuestra capacidad para mapear estructuras subterráneas. Al medir las diferencias en los campos gravitacionales con mayor precisión, estos sensores podrían ayudar a reducir los riesgos de la construcción mediante un mapeo más preciso de túneles, cuevas o sumideros, además de ayudar a los científicos ambientales a modelar y predecir patrones de flujo de magma o niveles de agua subterránea para gestionar los riesgos de erupciones e inundaciones. .

Colocar sensores cuánticos en y alrededor de entornos desafiantes no es el único beneficio del emparejamiento robot-sensor cuántico. Los sensores cuánticos también podrían ayudar a los robots a navegar mejor. Es fundamental que los robots autónomos como Spot o los vehículos autónomos puedan navegar de forma segura y precisa.

Aquí también parece que los sensores cuánticos desempeñarán un papel. En diciembre de 2020, el proyecto SPIDAR recibió financiación del gobierno del Reino Unido para desarrollar sistemas LiDAR basados ​​en cuánticos para vehículos autónomos. Al detectar fotones individuales emitidos por un objeto y usarlos para medir la distancia del objeto detectado, SPIDAR podrá detectar qué tan cerca está un objeto de un vehículo con mucha mayor precisión que los sistemas de cámaras 3D existentes.

En comparación con los sistemas LiDAR actuales que miden el tiempo de viaje del rayo láser hacia y desde objetos con una precisión de hasta 100 milisegundos, el LiDAR cuántico como SPIDAR medirá el tiempo de viaje de los fotones hasta una billonésima de segundo. También podrán detectar objetos a través de la niebla o potencialmente en las esquinas, algo que el LiDAR actual no puede hacer. La actualización del LiDAR cuántico ciertamente suena como un paso positivo hacia vehículos autónomos en los que podemos sentirnos seguros al estar dentro o junto a ellos.

Lejos de los usuarios cotidianos de la carretera, los sensores cuánticos también ayudarán a robots como drones y vehículos militares autónomos a navegar en entornos donde los sistemas GPS no funcionan o podrían ser una debilidad explotable. Estos sistemas PNT sin GPS suelen utilizar sensores cuánticos de iones atrapados en frío que miden pequeños cambios en la gravedad y la aceleración atómica. A medida que la tecnología se vuelve más pequeña y robusta, los expertos creen que estos sistemas tendrán un potencial significativo en las industrias comercial y de defensa.

Nuestro recorrido turístico por los sensores cuánticos y la robóticamuestra cuántas oportunidades ofrecerá esta combinación a medida que la tecnología continúa desarrollándose. Pero ¿qué haceLa combinación cuántica y robótica aún más emocionante essu potencial más amplio, particularmente cuando se agrega IA ala mezcla.

Tecnologías de inteligencia artificial como la visión por computadora y el aprendizaje automático (ML)son vitales para cómo los robots móviles autónomos perciben yevitar obstáculos y planificar sus actividades dentro de un determinado ambiente. Pero hacer que los procesadores de IA sean pequeños y livianossuficiente para integrarse en robots más pequeños es un gran desafío técnico desafío. Esto se debe a que procesos como la visión artificialrequieren enormes cantidades de recursos informáticos.

Los expertos creen que la computación cuántica podría superar estodesafío al ejecutar algoritmos mucho más rápido, dramáticamente reduciendo la potencia de procesamiento requerida. Hacerlo podríaabre muchas más oportunidades para aprovechar robots móviles. Este es sólo un ejemplo de IA cuánticaaplicado a la robótica; otros, como el potencial del aprendizaje automático cuántico para ayudar a los robots a aprender más rápido, también sonsiendo explorados, y sin duda otros emparejamientos fructíferosseguirá.

En definitiva, tenemos claro que la robótica cuántica es unacampo dinámico en el que innovadores, científicos y gobiernos están deseosos de expandirse. Estamos seguros de que la cuántica Los sensores y la IA cuántica son solo el comienzo. Lo haremosEstaremos observando de cerca cómo los robots cuánticos adquieren dimensiones cada vez mayores. pasos hacia la realización de su potencial. Mientras lo hacen,se unirá a la serie de aplicaciones cuánticas que toman tecnología cuánticaciencia mucho más allá del ámbito de la ficción.

Jeff Wong es director global de innovación de EY.

Kristin Gilkes es líder cuántica de innovación global en EY.

Las opiniones reflejadas en este artículo son las de los autores y no necesariamente reflejan las opiniones de la organización global EY o sus firmas miembro.

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