Aplicaciones de la mecánica cuántica - Applications of quantum mechanics

La física cuántica es una rama de la física moderna en la que la energía y la materia se describen en su nivel más fundamental, el de los cuantos de energía , las partículas elementales y los campos cuánticos . La física cuántica abarca cualquier disciplina relacionada con los sistemas que exhiben notables efectos de la mecánica cuántica , donde las ondas tienen propiedades de partículas y las partículas se comportan como ondas. Las aplicaciones de la mecánica cuántica incluyen explicar los fenómenos que se encuentran en la naturaleza, así como desarrollar tecnologías que se basan en efectos cuánticos, como circuitos integrados y láseres .

La mecánica cuántica también es de vital importancia para comprender cómo los átomos individuales se unen mediante enlaces covalentes para formar moléculas . La aplicación de la mecánica cuántica a la química se conoce como química cuántica . La mecánica cuántica también puede proporcionar una visión cuantitativa de los procesos de enlace iónico y covalente al mostrar explícitamente qué moléculas son energéticamente favorables a qué otras y las magnitudes de las energías involucradas.

Históricamente, las primeras aplicaciones de la mecánica cuántica a los sistemas físicos fueron la determinación algebraica del espectro de hidrógeno por Wolfgang Pauli y el tratamiento de moléculas diatómicas por Lucy Mensing .

En muchos aspectos, la tecnología moderna opera a una escala en la que los efectos cuánticos son significativos. Entre las aplicaciones importantes de la teoría cuántica se incluyen la química cuántica, la óptica cuántica , la computación cuántica , los imanes superconductores , los diodos emisores de luz , el amplificador óptico y el láser, el transistor y semiconductores como el microprocesador , las imágenes médicas y de investigación como la resonancia magnética y el electrón. microscopía . Las explicaciones de muchos fenómenos biológicos y físicos tienen su origen en la naturaleza del enlace químico, sobre todo en el ADN de la macromolécula .

Electrónica

Muchos dispositivos electrónicos modernos están diseñados utilizando mecánica cuántica. Los ejemplos incluyen el láser, el transistor (y por lo tanto el microchip), el microscopio electrónico y la resonancia magnética (MRI). El estudio de los semiconductores condujo a la invención del diodo y el transistor, que son partes indispensables de los sistemas electrónicos modernos, dispositivos informáticos y de telecomunicaciones . Otra aplicación es la fabricación de diodos láser y diodos emisores de luz, que son una fuente de luz de alta eficiencia.

Un mecanismo de trabajo de un dispositivo de diodo de efecto túnel resonante , basado en el fenómeno del túnel cuántico a través de barreras potenciales . (Izquierda: diagrama de bandas ; Centro: coeficiente de transmisión ; Derecha: características de corriente-voltaje) Como se muestra en el diagrama de bandas (izquierda), aunque hay dos barreras, los electrones todavía atraviesan los estados confinados entre dos barreras (centro), conduciendo Actual.

Muchos dispositivos electrónicos operan utilizando el efecto de túnel cuántico . Incluso existe en el simple interruptor de luz . El interruptor no funcionaría si los electrones no pudieran hacer un túnel cuántico a través de la capa de oxidación en las superficies de contacto del metal. Los chips de memoria flash que se encuentran en las unidades USB utilizan un túnel cuántico para borrar sus celdas de memoria. Algunos dispositivos de resistencia diferencial negativa también utilizan el efecto de túnel cuántico, como los diodos de efecto túnel resonantes . A diferencia de los diodos clásicos, su corriente se transporta mediante un túnel resonante a través de dos o más barreras potenciales (ver figura a la derecha). Su comportamiento de resistencia negativo solo puede entenderse con la mecánica cuántica: a medida que el estado confinado se acerca al nivel de Fermi , la corriente del túnel aumenta. A medida que se aleja, la corriente disminuye. La mecánica cuántica es necesaria para comprender y diseñar estos dispositivos electrónicos.

Criptografía

Actualmente, los investigadores están buscando métodos robustos para manipular directamente los estados cuánticos. Se están realizando esfuerzos para desarrollar más plenamente la criptografía cuántica , que teóricamente permitirá una transmisión segura garantizada de información.

Una ventaja inherente de la criptografía cuántica en comparación con la criptografía clásica es la detección de escuchas pasivas . Este es un resultado natural del comportamiento de los bits cuánticos; debido al efecto del observador , si se observara un bit en un estado de superposición, el estado de superposición colapsaría en un estado propio . Dado que el destinatario previsto esperaba recibir el bit en un estado de superposición, el destinatario previsto sabría que hubo un ataque, porque el estado del bit ya no estaría en superposición.

Computación cuántica

Otro objetivo es el desarrollo de computadoras cuánticas , que se espera que realicen ciertas tareas computacionales exponencialmente más rápido que las computadoras clásicas . En lugar de usar bits clásicos, las computadoras cuánticas usan qubits , que pueden estar en superposiciones de estados. Los programadores cuánticos pueden manipular la superposición de qubits para resolver problemas que la computación clásica no puede resolver de manera eficaz, como la búsqueda de bases de datos sin clasificar o la factorización de enteros . IBM afirma que el advenimiento de la computación cuántica puede avanzar en los campos de la medicina, la logística, los servicios financieros, la inteligencia artificial y la seguridad en la nube.

Otro tema de investigación activo es la teletransportación cuántica , que se ocupa de las técnicas para transmitir información cuántica a distancias arbitrarias.

Efectos cuánticos de macroescala

Si bien la mecánica cuántica se aplica principalmente a los regímenes atómicos más pequeños de materia y energía, algunos sistemas exhiben efectos de la mecánica cuántica a gran escala. La superfluidez , el flujo sin fricción de un líquido a temperaturas cercanas al cero absoluto , es un ejemplo bien conocido. También lo es el fenómeno estrechamente relacionado de la superconductividad , el flujo sin fricción de un gas de electrones en un material conductor (una corriente eléctrica ) a temperaturas suficientemente bajas. El efecto Hall cuántico fraccional es un estado ordenado topológico que corresponde a patrones de entrelazamiento cuántico de largo alcance . Los estados con diferentes órdenes topológicos (o diferentes patrones de entrelazamientos de largo alcance) no pueden transformarse entre sí sin una transición de fase.

Otros fenomenos

La teoría cuántica también proporciona descripciones precisas para muchos fenómenos previamente inexplicables, como la radiación de cuerpo negro y la estabilidad de los orbitales de los electrones en los átomos. También ha dado una idea del funcionamiento de muchos sistemas biológicos diferentes , incluidos los receptores del olfato y las estructuras de proteínas . El trabajo reciente sobre la fotosíntesis ha proporcionado evidencia de que las correlaciones cuánticas juegan un papel esencial en este proceso fundamental de las plantas y muchos otros organismos. Aun así, la física clásica a menudo puede proporcionar buenas aproximaciones a los resultados obtenidos de otro modo por la física cuántica, normalmente en circunstancias con un gran número de partículas o grandes números cuánticos . Dado que las fórmulas clásicas son mucho más simples y fáciles de calcular que las fórmulas cuánticas, se utilizan y prefieren las aproximaciones clásicas cuando el sistema es lo suficientemente grande como para hacer que los efectos de la mecánica cuántica sean insignificantes.

Notas

Referencias