Aplicações da mecânica quântica

A física quântica é um ramo da física moderna em que a energia e a matéria são descritas em seu nível mais fundamental, o dos quanta de energia, partículas elementares e campos quânticos. A física quântica abrange qualquer disciplina preocupada com sistemas que exibem efeitos notáveis da mecânica quântica, onde as ondas têm propriedades de partículas e as partículas se comportam como ondas. Aplicações da mecânica quântica incluem a explicação de fenômenos encontrados na natureza, bem como o desenvolvimento de tecnologias que dependem de efeitos quânticos, como circuitos integrados e lasers.

A mecânica quântica também é extremamente importante para entender como átomos individuais são unidos por ligações covalentes para formar moléculas. A aplicação da mecânica quântica à química é conhecida como química quântica. A mecânica quântica também pode fornecer informações quantitativas sobre os processos de ligação iônica e covalente, mostrando explicitamente quais moléculas são energeticamente favoráveis a quais outras e as magnitudes das energias envolvidas.

Historicamente, as primeiras aplicações da mecânica quântica a sistemas físicos foram a determinação algébrica do espectro do hidrogênio por Wolfgang Pauli e o tratamento de moléculas diatômicas por Lucy Mensing.

Em muitos aspectos, a tecnologia moderna opera em uma escala em que os efeitos quânticos são significativos. Aplicações importantes da teoria quântica incluem química quântica, óptica quântica, computação quântica, ímãs supercondutores, diodos emissores de luz, amplificador óptico e laser, transistor e semicondutores, como o microprocessador, imagens médicas e de pesquisa, como ressonância magnética e elétrons. microscopia. As explicações para muitos fenômenos biológicos e físicos estão enraizadas na natureza da ligação química, principalmente a macromolécula DNA.

Eletrônicos

Muitos dispositivos eletrônicos modernos são projetados usando a mecânica quântica. Os exemplos incluem lasers, microscópios eletrônicos, dispositivos de ressonância magnética (MRI) e os componentes usados em hardware de computação. O estudo dos semicondutores levou à invenção do diodo e do transistor, peças indispensáveis dos modernos sistemas eletrônicos, computadores e dispositivos de telecomunicações. Outra aplicação é a fabricação de diodos laser e diodos emissores de luz, que são uma fonte de luz de alta eficiência. O sistema de posicionamento global (GPS) faz uso de relógios atômicos para medir diferenças de tempo precisas e, portanto, determinar a localização de um usuário.

Um mecanismo de trabalho de um dispositivo de diodo de tunelamento ressonante, baseado no fenômeno de túneis quânticos através de possíveis barreiras. (Esquerda: diagrama de banda; Centro: coeficiente de transmissão; Direito: características de tensão atual) Como mostrado no diagrama de banda (esquerda), embora haja duas barreiras, os elétrons ainda túnel através dos estados confinados entre duas barreiras (centro), conduzindo a corrente.

Muitos dispositivos eletrônicos operam usando o efeito de tunelamento quântico. Chips de memória flash encontrados em drives USB usam tunelamento quântico para apagar suas células de memória. Alguns dispositivos de resistência diferencial negativa também utilizam o efeito de tunelamento quântico, como diodos de tunelamento ressonante. Ao contrário dos diodos clássicos, sua corrente é transportada por tunelamento ressonante através de duas ou mais barreiras de potencial (veja a figura à direita). Seu comportamento de resistência negativa só pode ser entendido com a mecânica quântica: à medida que o estado confinado se aproxima do nível de Fermi, a corrente do túnel aumenta. À medida que se afasta, a corrente diminui. A mecânica quântica é necessária para entender e projetar tais dispositivos eletrônicos.

Criptografia

Muitos cientistas estão atualmente buscando métodos robustos de manipulação direta de estados quânticos. Esforços estão sendo feitos para desenvolver mais completamente a criptografia quântica, que teoricamente permitirá a transmissão segura e garantida de informações.

Uma vantagem inerente da criptografia quântica quando comparada à criptografia clássica é a detecção de espionagem passiva. Este é um resultado natural do comportamento dos bits quânticos; devido ao efeito do observador, se um bit em um estado de superposição fosse observado, o estado de superposição entraria em colapso em um autoestado. Como o destinatário pretendido esperava receber o bit em um estado de superposição, o destinatário pretendido saberia que houve um ataque, porque o estado do bit não estaria mais em uma superposição.

Computação quântica

Outro objetivo é o desenvolvimento de computadores quânticos, que devem executar certas tarefas computacionais exponencialmente mais rápido que os computadores clássicos. Em vez de usar bits clássicos, os computadores quânticos usam qubits, que podem estar em superposições de estados. Os programadores quânticos são capazes de manipular a superposição de qubits para resolver problemas que a computação clássica não pode fazer de forma eficaz, como pesquisar bancos de dados não classificados ou fatoração de números inteiros. A IBM afirma que o advento da computação quântica pode progredir nos campos da medicina, logística, serviços financeiros, inteligência artificial e segurança na nuvem.

Outro tópico de pesquisa ativo é o teletransporte quântico, que trata de técnicas para transmitir informações quânticas em distâncias arbitrárias.

Efeitos quânticos em macroescala

Embora a mecânica quântica se aplique principalmente aos regimes atômicos menores de matéria e energia, alguns sistemas exibem efeitos da mecânica quântica em grande escala. A superfluidez, o fluxo sem atrito de um líquido a temperaturas próximas do zero absoluto, é um exemplo bem conhecido. O mesmo acontece com o fenômeno intimamente relacionado da supercondutividade, o fluxo sem atrito de um gás de elétrons em um material condutor (uma corrente elétrica) a temperaturas suficientemente baixas. O efeito Hall quântico fracionário é um estado topológico ordenado que corresponde a padrões de emaranhamento quântico de longo alcance. Estados com diferentes ordens topológicas (ou diferentes padrões de emaranhados de longo alcance) não podem mudar entre si sem uma transição de fase.

Outros fenômenos

A teoria quântica também fornece descrições precisas para muitos fenômenos anteriormente inexplicados, como a radiação do corpo negro e a estabilidade dos orbitais dos elétrons nos átomos. Também forneceu informações sobre o funcionamento de muitos sistemas biológicos diferentes, incluindo receptores de cheiro e estruturas de proteínas. Trabalhos recentes sobre fotossíntese forneceram evidências de que as correlações quânticas desempenham um papel essencial nesse processo fundamental das plantas e de muitos outros organismos. Mesmo assim, a física clássica muitas vezes pode fornecer boas aproximações de resultados obtidos de outra forma pela física quântica, normalmente em circunstâncias com grande número de partículas ou grandes números quânticos. Como as fórmulas clássicas são muito mais simples e fáceis de calcular do que as fórmulas quânticas, as aproximações clássicas são usadas e preferidas quando o sistema é grande o suficiente para tornar os efeitos da mecânica quântica insignificantes.