Aplicaciones de la mecánica cuántica
From Wikipedia, the free encyclopedia
Las aplicaciones de la mecánica cuántica incluyen explicar fenómenos que se encuentran en la naturaleza, así como desarrollar tecnologías que se basan en efectos cuánticos, como circuitos integrados y láseres.[nota 1]
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 enlaces iónicos y covalentes al mostrar explícitamente qué moléculas son energéticamente favorables a cuáles otras y las magnitudes de las energías involucradas.[1]
Históricamente, las primeras aplicaciones de la mecánica cuántica a los sistemas físicos fueron la determinación algebraica del espectro de hidrógeno por Wolfgang Pauli[2] y el tratamiento de moléculas diatómicas por Lucy Mensing.[3]
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 química cuántica, óptica cuántica, computación cuántica, imanes superconductores, diodos emisores de luz, amplificador óptico y láser, transistor y semiconductores como el microprocesador, imágenes médicas y de investigación como resonancia magnética y microscopía electrónica.[4] Las explicaciones de muchos fenómenos biológicos y físicos tienen sus raíces en la naturaleza del enlace químico, sobre todo en la macromolécula de ADN.
Muchos dispositivos electrónicos modernos están diseñados utilizando la mecánica cuántica. Los ejemplos incluyen láseres, microscopios electrónicos, dispositivos de resonancia magnética (IRM) 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 sistemas electrónicos modernos, los dispositivos informáticos y de telecomunicaciones. Otra aplicación es para fabricar 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.
Muchos dispositivos electrónicos funcionan utilizando 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 túnel cuántico, como los diodos túnel resonantes. A diferencia de los diodos clásicos, su corriente se transporta mediante tunelización 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, aumenta la corriente del túnel. A medida que se aleja, la corriente disminuye. La mecánica cuántica es necesaria para comprender y diseñar tales dispositivos electrónicos.
Criptografía
Muchos científicos están buscando actualmente métodos robustos para manipular directamente los estados cuánticos. Se están haciendo esfuerzos para desarrollar más plenamente 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 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 había un ataque, porque el estado del bit ya no estaría en una superposición.[5]
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 hacer de manera efectiva, como la búsqueda de bases de datos sin clasificar o la factorización de enteros. IBM afirma que el advenimiento 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.[6]
Otro tema de investigación activo es la teletransportación cuántica, que trata sobre técnicas para transmitir información cuántica a distancias arbitrarias.
Efectos cuánticos a macroescala
Si bien la mecánica cuántica se aplica principalmente a los regímenes atómicos más pequeños de materia y energía, algunos sistemas exhiben efectos de 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 topológico ordenado que corresponde a patrones de entrelazamiento cuántico de largo alcance.[7] Los estados con diferentes órdenes topológicos (o diferentes patrones de enredos de largo alcance) no pueden cambiar entre sí sin una transición de fase.
