Brújula cuántica: cómo enseñar a los aviones a volar sin GPS

El 17 de enero de 2025, un Boeing 737 MAX 8-200 de Ryanair, en ruta de Londres a Vilna, no logró aterrizar en su destino. Cuando la aeronave descendió hasta los 259 metros de altitud, el sistema GPS falló repentinamente. Los pilotos tuvieron que realizar un ascenso de emergencia y dirigirse a un aeropuerto alternativo en Varsovia, recorriendo 400 kilómetros adicionales.

El incidente en el cielo de Vilna es solo uno de los muchos que han ocurrido recientemente en el espacio aéreo báltico. En los últimos tres meses, los controladores aéreos de Lituania han registrado más de 800 fallos en el sistema GPS.

El 25 de diciembre de 2024, una situación similar resultó en una tragedia. El vuelo 8243 de Azerbaijan Airlines, que viajaba de Bakú a Grozni y luego a Aktau, Kazajistán, experimentó fallos en la navegación 40 minutos después del despegue. La investigación preliminar sugiere que las interferencias en el sistema GPS podrían haber sido una de las principales causas del accidente en el aeropuerto de Aktau, en el que murieron 35 pasajeros y tres miembros de la tripulación.

La vulnerabilidad del GPS no solo afecta a la aviación. La señal satelital de tiempo preciso es fundamental para redes eléctricas, sistemas industriales, telecomunicaciones y operaciones bancarias. Los ciberdelincuentes han aprendido a no solo bloquear las señales de GPS, sino también a manipularlas con datos falsos, una técnica conocida como spoofing. En estos ataques, el receptor recibe señales de radio falsas que imitan las transmisiones satelitales reales, alterando la información sobre la posición y el tiempo y generando errores en el cálculo de coordenadas.

En zonas de conflicto como Ucrania, Medio Oriente, Cachemira y Myanmar, las fuerzas militares ya utilizan activamente el bloqueo del GPS. Esta técnica no solo ayuda en el campo de batalla, sino que también puede desestabilizar la infraestructura civil. Desde 2021, estos ataques han aumentado y sus métodos se han vuelto más sofisticados.

El GPS fue desarrollado en los años 70 como una tecnología militar para la geolocalización precisa. Su funcionamiento se basa en una red de satélites equipados con relojes atómicos. Su principio recuerda a la navegación marítima: así como los marineros usan faros para orientarse, un receptor GPS determina su posición mediante señales de múltiples satélites. Cada satélite transmite continuamente información sobre su ubicación y el tiempo exacto de envío de la señal. Al medir el tiempo que tarda la señal en llegar a la Tierra y conociendo la velocidad de propagación de las ondas de radio, el receptor calcula la distancia a cada satélite. Para obtener coordenadas completas (latitud, longitud y altitud), se necesitan al menos cuatro satélites.

Los relojes atómicos en los satélites GPS son increíblemente precisos: su desviación diaria es de solo unos pocos nanosegundos. Sin embargo, incluso un ligero error en la sincronización puede traducirse en fallos de posicionamiento de decenas o cientos de metros.

En sectores como la banca, donde las operaciones de alta frecuencia requieren precisión milimétrica, el GPS es esencial. También es vital para la distribución de energía eléctrica y la sincronización de redes de telecomunicaciones.

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. ha calculado que si el GPS fallara durante un solo día, las pérdidas económicas del país superarían los mil millones de dólares. En el Reino Unido, un escenario similar causaría un daño estimado de 1.400 millones de libras esterlinas. El gobierno británico ha clasificado la amenaza de fallos en el GPS como un riesgo crítico para la infraestructura nacional.

Los satélites GPS orbitan a 20.000 kilómetros sobre la Tierra, pero sus señales pueden ser bloqueadas fácilmente desde la superficie. Tanto dispositivos militares como equipos portátiles disponibles en internet pueden generar interferencias. En zonas de guerra, la interferencia de GPS se usa para desactivar sistemas de armamento enemigos o desviar drones y misiles de su curso.

Dado que las señales de GPS viajan en línea recta, los aviones en altitudes elevadas y los barcos en mar abierto son especialmente vulnerables, ya que no tienen obstáculos naturales que los protejan de interferencias.

Para enfrentar estos desafíos, un equipo del Laboratorio Nacional de Física, dirigido por la doctora Helen Margolis, está desarrollando un nuevo tipo de reloj óptico. A diferencia de los relojes atómicos tradicionales, que utilizan oscilaciones de microondas de átomos de cesio, este sistema se basa en la vibración de un rayo láser atrapado en átomos ultrafríos de estroncio.

Las oscilaciones de la luz tienen una frecuencia mucho mayor que las microondas, lo que permite dividir el tiempo en intervalos aún más pequeños. Estos relojes prometen ser 100 veces más precisos que los actuales relojes atómicos de cesio, que hoy establecen el estándar del Tiempo Universal Coordinado (UTC). Sin embargo, uno de los mayores desafíos es miniaturizar esta tecnología para que pueda funcionar en entornos fuera del laboratorio, como en vehículos de transporte o sistemas portátiles.

Una de las soluciones más prometedoras es el desarrollo de sistemas de navegación autónomos con relojes atómicos incorporados. Un sistema de este tipo funcionaría como la computadora de a bordo de un avión, pero con una precisión sin precedentes. Conociendo el punto de partida, el sistema rastrearía cada cambio en velocidad y dirección con sensores cuánticos capaces de medir aceleraciones y giros con una precisión de una millonésima de grado. Combinados con datos sobre los campos magnético y gravitacional de la Tierra, estos dispositivos permitirían determinar la posición sin necesidad de señales satelitales.

Los físicos británicos planean construir una red de cuatro relojes atómicos de nueva generación sincronizados entre sí mediante canales de comunicación seguros. Esta red servirá como referencia de tiempo para toda la nación. Los bancos la utilizarán para registrar transacciones financieras, las compañías eléctricas para gestionar la distribución de energía y las fuerzas militares para coordinar operaciones. En caso de una caída del GPS, este sistema garantizará la estabilidad de la infraestructura crítica.

La empresa estadounidense Infleqtion ha recibido 11 millones de dólares del Pentágono para desarrollar sistemas de navegación cuántica. Su dispositivo Tiqker, del tamaño de tres cajas de pizza, mide las oscilaciones de electrones en átomos ultrafríos de rubidio. A temperaturas cercanas al cero absoluto, estas oscilaciones se vuelven extremadamente estables y predecibles, permitiendo mediciones de tiempo con una precisión de una billonésima de segundo. La principal ventaja de esta tecnología es que los estados cuánticos de los átomos no pueden ser falsificados ni alterados por interferencias externas, una propiedad fundamental de la física.

Otro enfoque lo ofrece la startup SandboxAQ, dirigida por el exdirector de Google Eric Schmidt, que apuesta por la navegación magnética. Su tecnología AQNav crea un mapa tridimensional del campo magnético de la Tierra, registrando incluso las más mínimas variaciones. Cada punto del planeta tiene una firma magnética única, determinada por la composición geológica y las corrientes eléctricas en la ionosfera. La inteligencia artificial analiza estos datos con magnetómetros de alta sensibilidad, permitiendo la navegación sin necesidad de satélites.

La empresa australiana Q-CTRL está resolviendo otro problema: los sensores cuánticos son extremadamente sensibles a vibraciones en barcos y aviones. Su software actúa como unos auriculares con cancelación de ruido, filtrando interferencias externas y mejorando la precisión de las mediciones incluso en condiciones adversas. Q-CTRL ya colabora con Airbus, la Marina del Reino Unido y las Fuerzas Armadas de Australia para integrar su tecnología en sistemas de navegación.

Actualmente, los relojes cuánticos cuestan alrededor de 100.000 dólares, y hacerlos accesibles para el uso cotidiano es un gran desafío técnico. Se espera que los primeros en adoptarlos sean los barcos de gran tamaño, donde el peso y el volumen del equipo no son un problema. Con el tiempo, estos sensores cuánticos, relojes ópticos y navegadores magnéticos se reducirán lo suficiente como para integrarse en aviones o incluso en teléfonos inteligentes. No obstante, para llegar a ese punto aún podrían pasar al menos diez años.