Sensores cuánticos para detectar fraudes alimentarios directamente en el supermercado

El fraude alimentario causa miles de millones de euros al año en daños y puede entrañar graves riesgos para la salud. Algunos ejemplos comunes son la miel adulterada con agua azucarada, el zumo de naranja o el tequila diluidos con ingredientes más baratos. Hasta la fecha, para verificar la autenticidad de los productos alimenticios se requieren análisis de laboratorio, un proceso complejo, costoso y que requiere mucho tiempo. El proyecto QSPEC, financiado por el BMFTR, aborda este reto desarrollando un método de espectroscopia cuántica mucho más compacto y rentable que las técnicas existentes. El proyecto se centra principalmente en la miel y el zumo de naranja, que figuran entre los productos alimenticios adulterados con mayor frecuencia según el Journal of Food Science. Los seis socios, AMO GmbH, el grupo de investigación de tecnologías cuánticas fotónicas de la Universidad Leibniz de Hannover (LUH), TOPTICA Photonics SE, AMOtronics UG, el Instituto Alemán de Tecnologías Alimentarias (DIL) y Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), están desarrollando conjuntamente un sistema que incluye un láser, componentes ópticos cuánticos y el hardware de detección asociado.

Aprovechamiento de las diferencias de longitud de onda en los pares de fotones

El método de espectroscopia se basa en el uso de pares de fotones entrelazados para la medición. El fotón de longitud de onda larga interactúa con la muestra y modifica sus propiedades; este cambio se transfiere a continuación a un fotón de longitud de onda corta en un segundo paso. Los investigadores utilizan las características complementarias de las dos longitudes de onda dentro del par de fotones: el fotón de longitud de onda larga interactúa más eficazmente con la muestra, mientras que el fotón de longitud de onda corta es más fácil de detectar.

Fuentes láser para la generación de fotones entrelazados

TOPTICA SE y LZH han completado dos componentes clave: nuevas fuentes láser para generar fotones entrelazados utilizando un peine de frecuencia cuántica. Cada socio ha entregado a LUH un diseño de láser distinto. Ambos láseres emiten a una longitud de onda de 1.950 nm y presentan un ancho de línea espectral muy estrecho, inferior a 1 GHz, necesario para bombear el peine cuántico de frecuencias. Las dos fuentes difieren en las características de sus pulsos. El láser LZH opera en el régimen de picosegundos, mientras que el láser TOPTICA emite en modo de onda continua (cw) y es sintonizable sin saltos entre 1.920 nm y 1.980 nm.

Éxito en la generación de pares de fotones entrelazados

Paralelamente, AMO GmbH ha fabricado los primeros chips nanofotónicos para el proyecto. Estos chips integran los componentes esenciales necesarios para la medición -incluidos los necesarios para generar peines de frecuencias cuánticas con los láseres TOPTICA y LZH- en un factor de forma extremadamente compacto. Con los chips fabricados por AMO, LUH ya ha demostrado la generación de pares de fotones a una longitud de onda de 1.550 nm, un primer hito importante en el camino hacia un principio de medición basado en la cuántica.

Sistema de estabilización de la temperatura

Unas condiciones de temperatura estables son fundamentales para garantizar que los componentes individuales ajustados con precisión ofrezcan resultados reproducibles en las exigentes condiciones de las mediciones cuánticas. Para ello, AMOtronics UG ha construido un sistema específico de estabilización de temperatura. Una característica clave de este sistema es su arquitectura modular, que permite un control de precisión digital (PID) sencillo e independiente y la supervisión de la temperatura en hasta ocho canales. Además de una interfaz gráfica de usuario, el sistema ofrece una interfaz de software programable para una integración flexible en configuraciones más complejas.

Base de datos de referencia para zumo de naranja y miel

En la siguiente fase del proyecto, los socios seguirán desarrollando el sistema de laboratorio y lo convertirán en un primer prototipo compacto. Con este sistema, el DIL analizará muestras de alimentos comparándolas con métodos de referencia establecidos. El instituto está creando una base de datos de referencia utilizando técnicas estándar como la espectroscopia NIR y RMN como punto de referencia para su posterior validación. El zumo de naranja y la miel son las primeras muestras alimentarias investigadas. Con el prototipo, los investigadores realizarán mediciones comparativas para evaluar y perfeccionar su rendimiento analítico. De este modo se ampliará la base de datos y, en última instancia, se podrán extraer conclusiones sobre el origen y la composición de los productos alimenticios, con ventajas en cuanto a rapidez, precisión y facilidad de uso en comparación con los métodos actuales.

El objetivo de los socios del proyecto es sentar las bases de un sistema industrial lo bastante pequeño y asequible para su implantación generalizada. Su visión a largo plazo es integrar esta funcionalidad directamente en un smartphone, para que todo el mundo pueda saber exactamente qué contienen sus alimentos.

Acerca de QSPEC

El proyecto QSPEC está financiado por el Ministerio Federal Alemán de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) en el marco de la iniciativa de financiación "Lighthouse Projects in Quantum-Based Metrology for Addressing Societal Challenges". El coordinador del consorcio es AMO GmbH. Otros socios son Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), el grupo de investigación Photonic Quantum Technologies de la Universidad Leibniz de Hannover (LUH), TOPTICA SE, AMOtronics UG y DIL Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Los socios asociados son AIRSENSE Analytics GmbH, J&M Analytik, VPIphotonics GmbH y Food Processing Initiative e.V.