Aplicaciones de la mecánica cuántica

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 sistemas que exhiben efectos notables 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 la explicación de fenómenos que se encuentran en la naturaleza, así como el desarrollo de 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 información cuantitativa sobre los procesos de enlace iónico y covalente al mostrar explícitamente qué moléculas son energéticamente favorables a 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 del hidrógeno por Wolfgang Pauli y el tratamiento de las moléculas diatómicas por Lucy Mensing.

En muchos aspectos, la tecnología moderna opera a una escala en la que los efectos cuánticos son significativos. Las aplicaciones importantes de la teoría cuántica 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 los semiconductores como el microprocesador, las imágenes médicas y de investigación, como la resonancia magnética y la electrónica. microscopía. Las explicaciones de muchos fenómenos biológicos y físicos están enraizadas en la naturaleza del enlace químico, sobre todo en la macromolécula de ADN.

Electrónica

Muchos dispositivos electrónicos modernos están diseñados utilizando la mecánica cuántica. Los ejemplos incluyen láseres, microscopios electrónicos, dispositivos de resonancia magnética (MRI) y los componentes utilizados en el hardware informático. El estudio de los semiconductores condujo a la invención del diodo y el transistor, que son partes indispensables de los modernos sistemas electrónicos, computadoras y dispositivos de telecomunicaciones. Otra aplicación es la fabricación de diodos láser y diodos emisores de luz, que son una fuente de luz de alta eficiencia. El sistema de posicionamiento global (GPS) utiliza relojes atómicos para medir diferencias horarias precisas y, por lo tanto, determinar la ubicación de un usuario.

Un mecanismo de trabajo de un dispositivo de diodo de túnel resonante, basado en el fenómeno del túnel cuántico a través de barreras potenciales. (Izquierda: diagrama de banda; Centro: coeficiente de transmisión; Derecho: características de tensión actual) Como se muestra en el diagrama de banda (izquierda), aunque hay dos barreras, los electrones todavía túnel a través de los estados confinados entre dos barreras (centro), llevando corriente.

Muchos dispositivos electrónicos funcionan con el efecto de túnel cuántico. Los chips de memoria flash que se encuentran en las unidades USB utilizan túneles cuánticos para borrar sus celdas de memoria. Algunos dispositivos de resistencia diferencial negativa también utilizan el efecto de tunelización cuántica, como los diodos de tunelización resonantes. A diferencia de los diodos clásicos, su corriente es transportada por efecto túnel resonante a través de dos o más barreras potenciales (ver figura a la derecha). Su comportamiento de resistencia negativa 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 tales dispositivos electrónicos.

Criptografía

Muchos científicos buscan actualmente métodos sólidos para manipular directamente los estados cuánticos. Se están realizando esfuerzos para desarrollar más completamente la criptografía cuántica, que teóricamente permitirá garantizar la transmisión segura de información.

Una ventaja inherente que ofrece 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. Debido a 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 una 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 efectiva, como la búsqueda en bases de datos sin clasificar o la factorización de números enteros. IBM afirma que la llegada de la computación cuántica puede hacer progresar 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 técnicas para transmitir información cuántica a distancias arbitrarias.

Efectos cuánticos a macroescala

Mientras que la mecánica cuántica se aplica principalmente a los regímenes atómicos más pequeños de materia y energía, algunos sistemas exhiben efectos mecánicos cuánticos 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 topológico ordenado que corresponde a patrones de entrelazamiento cuántico de largo alcance. Los estados con diferentes órdenes topológicos (o diferentes patrones de enredos de largo alcance) no pueden cambiar entre sí sin una transición de fase.

Otros fenómenos

La teoría cuántica también proporciona descripciones precisas de muchos fenómenos no explicados anteriormente, como la radiación del cuerpo negro y la estabilidad de los orbitales de los electrones en los átomos. También ha proporcionado información sobre el funcionamiento de muchos sistemas biológicos diferentes, incluidos los receptores de olores 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 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, las aproximaciones clásicas se usan y prefieren cuando el sistema es lo suficientemente grande como para hacer que los efectos de la mecánica cuántica sean insignificantes.