Приложения квантовой механики - Applications of quantum mechanics

Квантовая физика - это раздел современной физики, в котором энергия и материя описываются на их самом фундаментальном уровне - уровне квантов энергии , элементарных частиц и квантовых полей . Квантовая физика охватывает любую дисциплину, связанную с системами, которые демонстрируют заметные квантово-механические эффекты, где волны имеют свойства частиц, а частицы ведут себя как волны. Приложения квантовой механики включают объяснение явлений, встречающихся в природе, а также разработку технологий, основанных на квантовых эффектах, таких как интегральные схемы и лазеры .

Квантовая механика также критически важна для понимания того, как отдельные атомы соединяются ковалентными связями с образованием молекул . Применение квантовой механики к химии известно как квантовая химия . Квантовая механика также может дать количественное представление о процессах ионной и ковалентной связи , явно показывая, какие молекулы энергетически выгодны каким другим, а также величины задействованных энергий.

Исторически первыми приложениями квантовой механики к физическим системам были алгебраическое определение спектра водорода Вольфгангом Паули и рассмотрение двухатомных молекул Люси Менсинг .

Во многих аспектах современные технологии работают в масштабах, где квантовые эффекты значительны. Важные приложения квантовой теории включают квантовую химию, квантовую оптику , квантовые вычисления , сверхпроводящие магниты , светоизлучающие диоды , оптический усилитель и лазер, транзистор и полупроводники, такие как микропроцессор , медицинскую и исследовательскую визуализацию, такую ​​как магнитно-резонансная томография и электронная визуализация. микроскопия . Объяснения многих биологических и физических явлений коренятся в природе химической связи, в первую очередь в макромолекуле ДНК .

Электроника

Многие современные электронные устройства разработаны с использованием квантовой механики. Примеры включают лазер, транзистор (и, следовательно, микрочип), электронный микроскоп и магнитно-резонансную томографию (МРТ). Изучение полупроводников привело к изобретению диода и транзистора, которые являются незаменимыми частями современных электронных систем, компьютеров и телекоммуникационных устройств. Другое применение - создание лазерных диодов и светодиодов, которые являются высокоэффективным источником света.

Рабочий механизм резонансного туннельного диода , основанный на явлении квантового туннелирования через потенциальные барьеры . (Слева: зонная диаграмма ; Центр: коэффициент передачи ; Справа: вольт-амперные характеристики) Как показано на зонной диаграмме (слева), хотя есть два барьера, электроны по-прежнему туннелируют через ограниченные состояния между двумя барьерами (в центре), проводя Текущий.

Многие электронные устройства работают с использованием эффекта квантового туннелирования . Он есть даже в простом выключателе света . Переключатель не работал бы, если бы электроны не могли пройти квантовый туннель через слой окисления на металлических контактных поверхностях. Микросхемы флэш-памяти, обнаруженные в USB-накопителях, используют квантовое туннелирование для стирания своих ячеек памяти. Некоторые устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением также используют эффект квантового туннелирования, например, резонансные туннельные диоды . В отличие от классических диодов, его ток проходит через резонансное туннелирование через два или более потенциальных барьера (см. Рисунок справа). Его поведение с отрицательным сопротивлением можно понять только с помощью квантовой механики: когда ограниченное состояние приближается к уровню Ферми , туннельный ток увеличивается. По мере удаления ток уменьшается. Квантовая механика необходима для понимания и проектирования таких электронных устройств.

Криптография

В настоящее время исследователи ищут надежные методы прямого управления квантовыми состояниями. Предпринимаются усилия по более полному развитию квантовой криптографии , которая теоретически позволит гарантировать безопасную передачу информации.

Неотъемлемым преимуществом квантовой криптографии по сравнению с классической криптографией является обнаружение пассивного подслушивания . Это естественный результат поведения квантовых битов; из-за эффекта наблюдателя , если бы нужно было наблюдать бит в состоянии суперпозиции, состояние суперпозиции коллапсировало бы в собственное состояние . Поскольку предполагаемый получатель ожидал получить бит в состоянии суперпозиции, предполагаемый получатель будет знать, что была атака, потому что состояние бита больше не будет в суперпозиции.

Квантовые вычисления

Другая цель - разработка квантовых компьютеров , которые, как ожидается, будут выполнять определенные вычислительные задачи экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры . Вместо классических битов квантовые компьютеры используют кубиты , которые могут находиться в суперпозициях состояний. Квантовые программисты могут манипулировать суперпозицией кубитов, чтобы решать проблемы, которые классические вычисления не могут решить эффективно, такие как поиск в несортированных базах данных или целочисленная факторизация . IBM утверждает, что появление квантовых вычислений может продвинуть вперед области медицины, логистики, финансовых услуг, искусственного интеллекта и облачной безопасности.

Еще одна активная тема исследований - квантовая телепортация , которая касается методов передачи квантовой информации на произвольные расстояния.

Макромасштабные квантовые эффекты

В то время как квантовая механика в первую очередь применяется к меньшим атомным режимам материи и энергии, некоторые системы демонстрируют квантово-механические эффекты в крупном масштабе. Одним из хорошо известных примеров является сверхтекучесть , течение жидкости без трения при температурах, близких к абсолютному нулю . Так же обстоит дело с тесно связанным явлением сверхпроводимости , потоком электронного газа без трения в проводящем материале ( электрический ток ) при достаточно низких температурах. Дробно квантовый эффект Холла является топологическим заказали состояние , которое соответствует моделям дальней квантовой запутанности . Состояния с разными топологическими порядками (или разными паттернами дальнодействующих зацеплений) не могут переходить друг в друга без фазового перехода.

Другие явления

Квантовая теория также обеспечивает точное описание многих ранее необъяснимых явлений, таких как излучение черного тела и стабильность орбиталей электронов в атомах. Это также дало представление о работе многих различных биологических систем , включая рецепторы запаха и белковые структуры . Недавние исследования фотосинтеза предоставили доказательства того, что квантовые корреляции играют важную роль в этом фундаментальном процессе растений и многих других организмов. Даже в этом случае классическая физика часто может обеспечить хорошее приближение к результатам, полученным иным способом с помощью квантовой физики, обычно в обстоятельствах с большим числом частиц или большими квантовыми числами . Поскольку классические формулы намного проще и легче вычислить, чем квантовые формулы, классические приближения используются и предпочтительнее, когда система достаточно велика, чтобы сделать эффекты квантовой механики несущественными.

Примечания

использованная литература