سیاره علم

مکانیک کوانتوم یک شاخه از فیزیک است که با رفتار ماده و انرژی در کوچک ترین مقیاس سر و کار دارد. این تأثیر عمیقی بر زندگی روزمره ما دارد، پس چه چیزهایی درباره کوانتوم باید بدانیم؟

بیایید این موضوع را به اجزاء کوچک تر بشکافیم، خواهیم؟ مکانیک کوانتوم یک شاخه از فیزیک است که با رفتار ماده و انرژی در کوچک ترین مقیاس سر و کار دارد. این مکانیک ویژگی های ذراتی مانند الکترون ها، فتون ها و اتم ها که سازنده جهان فیزیکی ما هستند را شرح می دهد. ممکن است مکانیک کوانتوم به نظر یک مفهوم انتزاعی و برای دانشمندان و فیزیکدانان اختصاص داده شده به نظر برسد، اما در واقع تأثیر عمیقی بر زندگی روزمره ما دارد.

یکی از معروف ترین کاربردهای مکانیک کوانتوم در الکترونیک است. اختراع ترانزیستور، که اساس تمام الکترونیک های مدرن را تشکیل می دهد، بر پایه اصول مکانیک کوانتوم استوار بود. علاوه بر این، مکانیک کوانتوم پایه ای برای محاسبات کوانتومی است. این فناوری قدرت محاسباتی را به چالش می کشد و در حل برخی از پیچیده ترین مسائل جهان کمک می کند.

همچنین، مکانیک کوانتوم نقش مهمی در پزشکی و زیست شناسی دارد. دستگاه های تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی (MRI) از اصول مکانیک کوانتوم برای ایجاد تصاویر دقیق از ساختارهای داخلی بدن استفاده می کنند. آن ها به عنوان یک ابزار ضروری برای تشخیص پزشکی مهم شده اند. درک رفتار ذرات زیر اتمی به دانشمندان کمک کرده است تا فرایندهای اساسی که بر روی بدن انسان حاکمیت دارد، مانند رفتار تاخیری و تعامل پروتئین ها، را بهبود بخشند.

 

 

حالا (با نواختن طبل ها) به لیست ما بپردازیم:

در دیکشنری کمبریج، کوانتوم را به عنوان "کوچک ترین مقدار یا واحدی از چیزی، به ویژه انرژی" تعریف می کند. اشیای کوانتوم به قدری کوچک هستند که مکانیک کلاسیک نمی تواند به دقت رفتار آن ها را شرح دهد. اشیاء شامل اتم ها، یون های اتم، ذرات زیر اتمی مانند الکترون ها و فوتون ها هستند. فیزیک کوانتوم مطالعه علمی این اشیاء کوانتومی است. مکانیک کوانتوم مجموعه قوانینی است که رفتار این اشیاء کوانتومی را شرح می دهد. رفتار کوانتومی، غیرمنطقی است و با تفاوت هایی نسبت به آنچه در مقیاس ماکروی روزمره می بینیم، همراه است. اما در واقع، مکانیک کوانتومی رفتار کوانتومی را به خوبی توصیف کرده است. ادامه موضوع کوانتوم... فهمیدن اینکه چگونه اشیاء کوانتومی رفتار می کنند، در حال باز کردن یک قلمرو کاملاً جدید از امکانات فناورانه است. کامپیوترهای کوانتومی از فهم ما از رفتارهای کوانتومی فوق العاده استفاده می کنند. این امکان را به ما می دهند که یک سوال بپرسیم و یک پاسخ پیچیده دریافت کنیم.

 

با یک کامپیوتر کلاسیک (کامپیوترهای "عادی" امروزی که از باینری یک و صفر استفاده می کنند)، ما یک پاسخ سیاه و سفید "بله" یا "خیر" دریافت می کنیم. با استفاده از کوانتوم، ما به دست یک پاسخ احتمالی "شاید" می رسیم که به دلیل فوق العاده کوانتومی است. این ممکن است به نظر بیاید کاربردی نیست، اما با رویکرد صحیح در پرسیدن سوال، کامپیوتر کوانتومی می تواند پاسخ های اشتباه را حذف کرده و به جای آن پاسخ های صحیح را تقویت کند. کامپیوترهای کوانتومی در حل برخی از مسائل محاسباتی عالی عمل خواهند کرد، اما برای دیگران کامپیوتر کلاسیک بهینه خواهد ماند. به عنوان مثال، مسائل ریاضی دشوار مانند تجزیه اعداد بزرگ به عوامل اول. بسیاری از الگوریتم های رمزنگاری دیجیتالی که امروزه استفاده می شوند، بر این فرضیه استوارند که تجزیه اعداد اول با کامپیوترهای کلاسیک تقریباً غیرممکن است. تجزیه اعداد اول، فرایندی است که می گوید چه ترکیبی از اعداد اول می توانند با یکدیگر ضرب شده و به عدد مورد نظر برسند. بنابراین، یکی از مسائل اصلی در مورد کامپیوترهای کوانتومی این است که آن ها به راحتی ممکن است رمزنگاری های متداول را کرک کنند. کامپیوترهای کلاسیک برای بهینه سازی سیستم های بسیار پیچیده مناسب نیستند.

به عنوان مثال، در شبکه های حمل و نقل، زمان محاسبه یک راه حل خوب، بسیار بیشتر از تغییرات در سیستم طول می کشد. معتقد است که کامپیوترهای کوانتومی بهبود های هنجاری در سرعت محاسباتی ارائه خواهند داد، اجازه بهینه سازی به صورت لحظه ای را فراهم می کنند. وضعیت های کوانتومی می توانند بسیار حساس باشند و به راحتی تحت تأثیر عوامل خارجی مانند میدان های مغناطیسی و الکتریکی قرار بگیرند. افراد می توانند از این خاصیت استفاده کنند و دستگاه هایی ایجاد کنند که این تعاملات را کنترل کرده و برای ساخت دتکتورهای بسیار حساس استفاده کنند. یک مثال معروف، سنسور مغناطیسی است که پزشکان برای اندازه گیری سیگنال های الکتریکی بسیار کوچک در مغز استفاده می کنند. ارتباط کوانتومی از حالت کوانتومی اشیاء کوانتومی برای نگهداری و حمل اطلاعات استفاده می کند. این ارتباط امن است، زیرا اگر کسی پیام را اختراق کند، حالت کوانتومی آن را خراب می کند. این برای فرستنده و گیرنده قابل مشاهده است.

 

تعاریف کلیدی استواری کوانتومی، زمانی است که یک شیء کوانتومی با دو حالت (برای مثال بالا و پایین یا روشن و خاموش) می تواند واقعاً همزمان در هر دو حالت باشد. زمانی که شیء کوانتومی مشاهده می شود، ناگهان تنها یکی از حالت ها را به خود می گیرد. احتمالات به ما کمک می کنند تا این رفتار را درک کنیم.

پیچیدگی، زمانی است که دو یا چند شیء کوانتومی به هم وابسته هستند. یک شیء نمی تواند بدون ارجاع به یکی دیگر توصیف شود و اعمال بر یکی، خصوصیات یا اثرات دیگری را نشان می دهد یا آشکار می کند.

تونل زدگی، زمانی است که یک شیء کوانتومی می تواند از طریق یک مانع انرژی ای عبور کند که بیشتر زمان انرژی کافی برای عبور از آن را ندارد. با این حال، به دلیل طبیعت احتمالاتی مکانیک کوانتومی، گاهی اوقات موفق به عبور از این مانع می شود.

پس چه بعدی است؟ هر چند هنوز در مراحل ابتدایی قابلیت های فناوری کوانتوم هستیم، اما دامنه امکانات آشکار می شود. کاربردهای کوانتومی به محققان و دانشمندان این امکان را می دهد تا:

• تسریع در توسعه داروها و مواد در حوزه بهداشت
• تقویت امنیت ملی و پشتیبانی از دفاع
• افزایش اکتشافات معدنی محصولی و مدیریت منابع آب برای معدنکاری و بخش های دیگر
• بهبود ارتباطات امن برای صنایعی مانند فضا