Кіріспе

Теориялар, модельдер және тұжырымдамалар Макс Планктың кванттық гипотезасына қатысты. Кванттық физика – энергия мен материяның ең негізгі деңгейде, яғни энергия кванттары, элементарлық бөлшектер және кванттық өрістер арқылы сипатталатын қазіргі физиканың бір саласы. Кванттық физика, толқындар бөлшектердің қасиеттерін, ал бөлшектер толқындар сияқты мінез-құлық танытатын және айқын кванттық механикалық эффектілерді көрсететін жүйелерді зерттейтін кез келген ғылымды қамтиды. Кванттық механиканың қолданылуы табиғаттағы құбылыстарды түсіндіруді, сондай-ақ интегралдық тізбектер және лазерлер сияқты кванттық эффектілерге негізделген технологияларды жасауды қамтиды. Кванттық механика жеке атомдардың ковалентті байланыс арқылы молекулаларды қалай құрайтынын түсіну үшін де маңызды. Кванттық механиканы химияға қолдану кванттық химия деп аталады. Кванттық механика иондық және ковалентті байланыс процестеріне сандық тұрғыдан түсінік беруге мүмкіндік береді, қай молекулалардың энергия тұрғысынан тиімді екенін және олардың энергия мөлшерін нақты көрсетеді. Тарихи тұрғыдан алғанда, кванттық механиканы физикалық жүйелерге алғаш рет қолданған Вольфганг Паулидің сутегі спектрін алгебралық жолмен анықтауы және Люси Менсингтің диатомдық молекулаларды зерттеуі болды. Көптеген жағдайларда, қазіргі заманғы технология кванттық эффектілердің маңызды болатын масштабта жұмыс істейді. Кванттық теорияның маңызды қолданылуларына кванттық химия, кванттық оптика, кванттық есептеу, суперөткізгіш магниттер, жарықдиодтар, оптикалық күшейткіштер, лазерлер, транзисторлар және микропроцессорлар сияқты жартылай өткізгіштер, сондай-ақ медициналық және ғылыми зерттеулерде қолданылатын магниттік-резонанстық бейнелеу және электрондық микроскопия жатады. Көптеген биологиялық және физикалық құбылыстардың түсіндірмелері химиялық байланыстың, әсіресе ДНК макромолекуласының табиғатына негізделген.

Электроника

Қазіргі заманғы көптеген электрондық құрылғылар кванттық механиканы қолдана отырып жасалған. Мысалы, лазерлер, электрондық микроскоптар, магниттік-резонанстық томография (МРТ) құрылғылары және компьютерлік аппараттарда қолданылатын компоненттер. Жартылай өткізгіштерді зерттеу қазіргі заманғы электроника жүйелерінің, компьютерлер мен телекоммуникациялық құрылғылардың қажетті бөліктері – диод пен транзистордың пайда болуына әкелді. Тағы бір қолданысы – лазерлік диодтар мен жарықдиодтар жасау, олар жарықтың жоғары тиімділігімен ерекшеленеді. Ғламдық позициялық жүйе (GPS) пайдаланушының орналасқан жерін анықтау үшін уақыттың нақты айырмашылықтарын өлшеу үшін атомдық сағаттарды қолданады. Көптеген электрондық құрылғылар кванттық туннельдеу эффексін пайдаланады. Кейбір теріс дифференциалдық кедергі құрылғылары, мысалы, резонанстық туннельдеу диодтары да кванттық туннельдеу эффексін пайдаланады. Классикалық диодтардан айырмашылығы, оның тогы екі немесе одан да көп потенциалдық тосқауылдар арқылы резонанстық туннельдеу арқылы өтеді (оң жақтағы суретті қараңыз). Оның теріс кедергілік қасиеттерін кванттық механикамен ғана түсінуге болады: шектелген күй Ферми деңгейіне жақындағанда туннельдік ток артады, ал алысқа жылғанда ток азаяды. Мұндай электрондық құрылғыларды түсіну және жобалау үшін кванттық механика қажет.

Криптография

Қазіргі уақытта көптеген ғалымдар кванттық күйлерді тікелей манипуляциялаудың сенімді әдістерін іздестіруде. Кванттық криптографияны одан әрі дамытуға күш салынуда, ол теориялық тұрғыдан ақпаратты толығымен қауіпсіз беруге мүмкіндік береді. Классикалық криптографиямен салыстырғанда кванттық криптографияның негізгі артықшылығы – жасырын тыңшылықты анықтау мүмкіндігі. Бұл кванттық биттердің қасиеттерінің табиғи салдары; бақылаушы әсеріне байланысты, егер суперпозициялық күйдегі бит байқалатын болса, суперпозициялық күй өзіндік күйге дейін ыдырайды. Битті алушы оны суперпозициялық күйде күткендіктен, шабуыл болғанын біледі, себебі биттің күйі енді суперпозицияда болмайды.

Кванттық есептеу

Тағы бір мақсат – кванттық компьютерлерді дамыту, олар кейбір есептеу тапсырмаларын классикалық компьютерлерге қарағанда экспоненциалды түрде жылдам орындауға қабілетті деп күтілуде. Классикалық биттердің орнына кванттық компьютерлер кубиттерді пайдаланады, олар күйлердің суперпозициясында болуы мүмкін. Кванттық бағдарламашылар кубиттердің суперпозициясын манипуляциялау арқылы классикалық есептеулердің тиімді шеше алмайтын мәселелерді, мысалы, сұрыпталмаған деректер базасын іздеу немесе бүтін сандарды жіктеуді шеше алады. IBM кванттық есептеулердің дамуы медицина, логистика, қаржылық қызметтер, жасанды интеллект және бұлтты қауіпсіздік салаларын дамытуға мүмкіндік береді деп мәлімдейді. Тағы бір белсенді зерттеу тақырыбы – кванттық телепортация, ол кванттық ақпаратты кез келген қашықтыққа беру тәсілдерін зерттейді.

Макромасштабты кванттық әсерлер

Кванттық механика көбінесе материя мен энергияның кіші атомдық деңгейлеріне қатысты болғанымен, кейбір жүйелер кең ауқымда кванттық механикалық эффектілерді көрсетеді. Абсолют нөлге жуық температурада сұйықтықтың үйкеліссіз ағысы – супертірістілік, осының жақсы белгілі мысалы. Сол сияқты, суперөткізгіштік – бұл тығыз байланысты құбылыс, жеткілікті түрде төмен температурада өткізгіш материалдағы (электр тогы) электрон газының үйкеліссіз ағысы. Фракциялық кванттық Холл эффекті – ұзақ қашықтықтағы кванттық байланыстың үлгілеріне сәйкес келетін топологиялық реттелген күй. Әртүрлі топологиялық реттері бар (немесе ұзақ қашықтықтағы байланыстың әртүрлі үлгілері бар) күйлер фазалық өтусіз бір-біріне айнала алмайды.

Басқа құбылыстар

Кванттық теория сонымен қатар бұрын түсіндірілмеген көптеген құбылыстарды, мысалы, қара дене сәулеленуін және атомдардағы электрондық орбитальдардың тұрақтылығын дәл сипаттайды. Ол сондай-ақ иіс сезу рецепторлары мен ақуыз құрылымдары сияқты көптеген биологиялық жүйелердің жұмыс істеу механизмін түсінуге көмектесті. Фотосинтез саласындағы соңғы зерттеулер кванттық байланыстардың өсімдіктер мен көптеген басқа да организмдердің осы маңызды процесінде шешуші рөл атқаратынын көрсетті. Дегенмен, классикалық физика көбінесе кванттық физика арқылы алынған нәтижелерге жақын шамаменді мән бере алады, әсіресе көптеген бөлшектер немесе жоғары кванттық сандар болған жағдайларда. Классикалық формулалар кванттық формулаларға қарағанда әлдеқайда қарапайым және есептеуге оңай болғандықтан, жүйе кванттық механиканың әсерін мардымсыз ететіндей жеткілікті үлкен болғанда классикалық жуықтаулар қолданылады және қаланады.