Metrología cuántica: cómo la física cuántica permite realizar mediciones ultraprecisas

Creado: 5.11.2026 | 07:10 Actualizado: 5.11.2026 | 07:11

Desde los relojes atómicos hasta los sensores capaces de detectar el campo magnético del cerebro, la metrología cuántica marca el inicio de una nueva revolución científica. Basada en los principios de la mecánica cuántica, permite realizar mediciones ultraprecisas que están cambiando la forma en que entendemos —y controlamos— el mundo físico.

Qué es la metrología cuántica y para qué sirve

La metrología se ocupa de definir, regular y mantener las unidades de medida, como el segundo, el metro y el kilogramo. Su importancia, sin embargo, va más allá: está presente en muchos aspectos de la vida cotidiana, incluidas las redes de servicios, los proveedores y las comunicaciones de las que dependemos.

La metrología contribuye a que estos sistemas funcionen de manera eficaz y fiable. En definitiva, las distintas formas de medición física y química influyen en la calidad del mundo en que vivimos. Se atribuye a Galileo el dicho: «mide lo que puedas medir, y lo que no puedas medir, hazlo medible». De ahí el papel esencial de la metrología en las ciencias naturales.

La metrología cuántica estudia y desarrolla métodos para medir magnitudes físicas —también llamadas parámetros— con gran resolución y sensibilidad. Para ello utiliza las propiedades de la mecánica cuántica, en especial el entrelazamiento cuántico.

Las tecnologías cuánticas establecen una hoja de ruta en la que la metrología y la sensórica cuánticas ocupan el primer estadio y están estrechamente relacionadas. Después se espera el desarrollo de la criptografía cuántica, mientras que la simulación y la computación cuánticas quedan para el largo plazo.

¿Qué tiene que ver la física cuántica con la metrología? Mucho: podría decirse que es la teoría más metrológica que existe. Una de sus características principales es la naturaleza discreta de muchas magnitudes físicas, como la energía de una partícula o sus momentos angulares orbital y de espín.

El carácter discreto de estas magnitudes facilita su medición experimental frente a las magnitudes continuas de la física clásica de Newton y Galileo, entre otros. Curiosamente, uno de los postulados de la mecánica cuántica se denomina «de la medida», porque esta desempeña en la teoría cuántica un papel esencial y distinto del que tiene en las teorías clásicas.

Por otro lado, las magnitudes cuánticas son muy sensibles a las perturbaciones del entorno. Esta sensibilidad resulta útil para crear sensores capaces de medir propiedades como los campos gravitatorios, eléctricos y magnéticos, y aplicarlas después en distintos ámbitos.

Los sensores cuánticos son un caso de serendipia. Un sistema cuántico, o cúbit, es muy frágil porque interactúa fácilmente con el ambiente que lo rodea. Pero un sensor es, precisamente, un dispositivo que sondea su entorno para obtener información física útil: así, la fragilidad de los sistemas cuánticos se convierte en una virtud.

Estos sensores aprovechan el principio de superposición y, en general, el entrelazamiento cuántico para alcanzar mayor sensibilidad y resolución. Pueden servir, por ejemplo, para detectar vacíos bajo el suelo y localizar depósitos minerales sin excavar. También se utilizarán para proporcionar diagnósticos no invasivos de zonas dañadas o enfermas.

Dos revoluciones cuánticas: de la discretización al entrelazamiento

En la actualidad se distinguen dos revoluciones tecnológicas cuánticas, tanto por sus fundamentos como por sus aplicaciones. Ambas tienen aplicaciones en la metrología cuántica.

La primera revolución tecnológica cuántica se basa en la naturaleza discreta de las magnitudes físicas, como los estados de energía de los átomos. Esta discretización está estrechamente vinculada a la digitalización, que ha transformado nuestro mundo, y a la mayor precisión de los mecanismos digitales frente a los analógicos.

A mediados del siglo XX, la comprensión y aplicación de las leyes de la mecánica cuántica en el mundo atómico microscópico dio lugar a tecnologías innovadoras, como el transistor y el láser. El impacto de esta primera revolución cuántica en nuestra sociedad difícilmente puede subestimarse. Ahora, nuestra creciente capacidad para manipular efectos cuánticos en sistemas y dispositivos personalizados está allanando el camino para una segunda revolución.

La segunda revolución tecnológica cuántica se basa en el principio de superposición. Uno de sus ejemplos más emblemáticos es 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, un recurso fundamental para la información cuántica. Este permite desarrollar nuevos algoritmos y simuladores cuánticos, entre otras aplicaciones.

La superposición permite que un sistema cuántico represente una combinación de varios estados posibles. En los algoritmos cuánticos, esto puede utilizarse para procesar ciertas posibilidades de forma conjunta, aunque una medición no permite extraer toda esa información como si se tratara de datos clásicos independientes.

Se espera que, en última instancia, las tecnologías cuánticas abran nuevas oportunidades para afrontar grandes retos en campos como la energía, la salud, la seguridad y el medio ambiente. Algunas ya empiezan a explotarse comercialmente; otras podrían requerir años de investigación y desarrollo cuidadoso.

También habrá tecnologías que hoy ni siquiera podemos imaginar, hasta que estén disponibles, como ocurrió con el láser y el transistor.

También habrá tecnologías que hoy ni siquiera podemos imaginar, hasta que estén disponibles, como ocurrió con el láser y el transistor.

El Sistema Internacional de unidades y las constantes de la naturaleza

La piedra angular de la metrología es el Sistema Internacional de Unidades (SI). Medir es un objetivo fundamental de la física, la química y otras ciencias naturales. Una magnitud física es una propiedad que puede medirse con un instrumento, por lo que el valor obtenido es objetivo.

Para medir, se compara una magnitud física con una unidad de referencia, materializada en un patrón. Por eso, definir adecuadamente las unidades es crucial. En la antigüedad, las medidas se basaban en artefactos: por ejemplo, el codo del brazo del faraón para medir longitudes y distintos recipientes para medir la capacidad de líquidos o cereales.

La renovación del Sistema Internacional de Unidades fue aprobada en la asamblea de la 26.ª Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM), reunida en Versalles del 13 al 16 de noviembre de 2018, y se puso en marcha en 2019.

Esta renovación constituye una gran revolución: define todas las unidades físicas básicas a partir de siete constantes definitorias, cuyos valores se consideran fijos y sin incertidumbre. A partir de ellas se derivan las unidades de medida, empezando por el segundo, unidad de tiempo, y el metro, unidad de longitud, y siguiendo con:

• el kilogramo, unidad de masa;
• el amperio, unidad de intensidad de corriente eléctrica;
• el kelvin, unidad de temperatura;
• el mol, unidad de cantidad de sustancia;
• la candela, unidad de intensidad luminosa.

Así, las unidades del SI son independientes de cualquier dispositivo. Esto ofrece ventajas importantes: una unidad no se deteriora con el tiempo y puede reproducirse en cualquier lugar del mundo, lo que contribuye a su universalidad y estabilidad.

La revisión del SI se basa en tres principios:

1. Separar las definiciones de las realizaciones experimentales concretas. Así, las unidades pueden materializarse de forma independiente en cualquier lugar y momento.
2. Basar las unidades en constantes de la naturaleza con valores exactos. Estas constantes son inmutables porque están asociadas a leyes de la naturaleza bien conocidas y contrastadas experimentalmente.
3. Crear una base segura para futuros desarrollos. A medida que surjan nuevas tecnologías podrán añadirse realizaciones prácticas de las unidades sin redefinirlas, ya que seguirán vinculadas a una constante de la naturaleza.

Detrás de cada constante fundamental hay una de las teorías fundamentales de la física: puede decirse que representan el ADN de nuestro universo. Si hubiera otros universos, cada uno tendría un conjunto diferente de constantes fundamentales.

Aplicaciones de la metrología y la sensórica cuánticas

Las aplicaciones actuales de la metrología cuántica se agrupan en varias áreas:

• Gravitación, rotación y aceleración. Las técnicas de interferometría de átomos fríos permiten que estos interactúen con la materia durante un tiempo relativamente largo. Esto aumenta la sensibilidad y la precisión de las mediciones y permite desarrollar gravímetros, acelerómetros y giroscopios de alta precisión y sin deriva. Estos dispositivos pueden utilizarse en ingeniería civil, sistemas de navegación inercial y prospección y exploración de recursos naturales.
• Tiempo. Es una de las áreas más desarrolladas de las tecnologías cuánticas. Los relojes atómicos ya utilizan estándares de microondas de fuente de cesio, pero los crecientes requisitos de precisión exigen nuevas tecnologías. Los relojes atómicos ópticos ya son una realidad: utilizan luz del espectro visible y ofrecen una precisión horaria muy superior, de hasta cien veces más. Pueden ser útiles en los sectores de las telecomunicaciones y la energía, así como para sincronizar de forma óptima las redes de comunicaciones y los proveedores del tiempo universal terrestre.

• Campos magnéticos. Los magnetómetros que aprovechan las vacantes de nitrógeno en el diamante pueden medir campos magnéticos muy pequeños. Los dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID, por sus siglas en inglés) actuales logran una precisión similar, pero requieren refrigeración criogénica. En cambio, los magnetómetros basados en centros de vacantes de nitrógeno funcionan a temperatura ambiente. Pueden detectar y monitorizar la actividad del cerebro humano, con importantes aplicaciones médicas.
• Detección química. Algunas técnicas aprovechan efectos cuánticos, como los puntos cuánticos en estructuras semiconductoras a nanoescala. Los dispositivos que las utilizan pueden ser útiles para preservar la legalidad, por ejemplo, mediante la detección de sustancias ilegales.
• Imágenes. Entre las técnicas de obtención de imágenes mejoradas mediante recursos cuánticos están las que emplean fotones correlacionados, capaces de mejorar sustancialmente la calidad al reducir el ruido de fondo; la microscopía multifotónica cuántica, y la interferometría cuántica. Los dispositivos que utilizan estas técnicas pueden aumentar enormemente la resolución de las imágenes.

El mundo tecnológico actual y su desarrollo futuro dependerán en gran medida de la calidad y la precisión de los sensores, cada vez más presentes en distintas aplicaciones. La metrología cuántica está llamada a ser la primera protagonista de la segunda revolución cuántica, que ya está en marcha.