Введение
Теории, модели и концепции, восходящие к квантовой гипотезе Макса Планка.
Квантовая физика – это отрасль современной физики, в которой энергия и материя описываются на самом фундаментальном уровне, уровне энергетических квантов, элементарных частиц и квантовых полей. Квантовая физика охватывает любые дисциплины, изучающие системы, демонстрирующие выраженные квантово-механические эффекты, где волны обладают свойствами частиц, а частицы ведут себя как волны. Применение квантовой механики включает в себя объяснение явлений, наблюдаемых в природе, а также разработку технологий, основанных на квантовых эффектах, таких как интегральные схемы и лазеры. Квантовая механика также имеет решающее значение для понимания того, как отдельные атомы соединяются ковалентными связями, образуя молекулы. Применение квантовой механики к химии известно как квантовая химия. Квантовая механика также способна давать количественную оценку процессов ионного и ковалентного связывания, явно показывая, какие молекулы энергетически выгодны по отношению к другим и какова величина задействованных энергий. Исторически первыми применениями квантовой механики к физическим системам были алгебраическое определение спектра водорода Вольфгангом Паули и исследование двухатомных молекул Люси Менсинг. Во многих отношениях современная технология функционирует в масштабе, где квантовые эффекты играют существенную роль. Важными приложениями квантовой теории являются квантовая химия, квантовая оптика, квантовые вычисления, сверхпроводящие магниты, светодиоды, оптические усилители и лазеры, транзисторы и полупроводники, такие как микропроцессоры, медицинская и исследовательская визуализация, например, магнитно-резонансная томография и электронная микроскопия. Объяснения многих биологических и физических явлений коренятся в природе химической связи, особенно в макромолекуле ДНК.
Quantum physics is a branch of modern physics in which energy and matter are described at their most fundamental level, that of energy quanta, elementary particles, and quantum fields. Quantum physics encompasses any discipline concerned with systems that exhibit notable quantum mechanical effects, where waves have properties of particles, and particles behave like waves. Applications of quantum mechanics include explaining phenomena found in nature as well as developing technologies that rely upon quantum effects, like integrated circuits and lasers. Quantum mechanics is also critically important for understanding how individual atoms are joined by covalent bonds to form molecules. The application of quantum mechanics to chemistry is known as quantum chemistry. Quantum mechanics can also provide quantitative insight into ionic and covalent bonding processes by explicitly showing which molecules are energetically favorable to which others and the magnitudes of the energies involved. Historically, the first applications of quantum mechanics to physical systems were the algebraic determination of the hydrogen spectrum by Wolfgang Pauli and the treatment of diatomic molecules by Lucy Mensing. In many aspects modern technology operates at a scale where quantum effects are significant. Important applications of quantum theory include quantum chemistry, quantum optics, quantum computing, superconducting magnets, light emitting diodes, the optical amplifier and the laser, the transistor and semiconductors such as the microprocessor, medical and research imaging such as magnetic resonance imaging and electron microscopy. Explanations for many biological and physical phenomena are rooted in the nature of the chemical bond, most notably the macro molecule DNA.
Электроника
Многие современные электронные устройства разработаны с использованием квантовой механики. Примеры включают в себя лазеры, электронные микроскопы, устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компоненты, используемые в компьютерном оборудовании. Изучение полупроводников привело к изобретению диода и транзистора, которые являются незаменимыми частями современных электронных систем, компьютеров и телекоммуникационных устройств. Другое применение – изготовление лазерных диодов и светоизлучающих диодов, являющихся высокоэффективным источником света. Глобальная система позиционирования (GPS) использует атомные часы для измерения точных временных интервалов и, следовательно, определения местоположения пользователя. Многие электронные устройства работают, используя эффект квантового туннелирования. Чипы флэш-памяти в USB-накопителях используют квантовое туннелирование для стирания ячеек памяти. Некоторые устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением также используют эффект квантового туннелирования, такие как резонансные туннельные диоды. В отличие от классических диодов, ток в них переносится резонансным туннелированием через два или более потенциальных барьеров (см. рисунок справа). Поведение с отрицательным сопротивлением можно объяснить только с помощью квантовой механики: при приближении локализованного состояния к уровню Ферми ток туннелирования увеличивается, а при удалении – уменьшается. Квантовая механика необходима для понимания и проектирования таких электронных устройств.
Криптография
Многие ученые в настоящее время ищут надежные методы прямого манипулирования квантовыми состояниями. Предпринимаются усилия по дальнейшему развитию квантовой криптографии, которая теоретически обеспечит гарантированно безопасную передачу информации. Внутренним преимуществом квантовой криптографии по сравнению с классической является возможность обнаружения пассивного перехвата. Это естественное следствие поведения квантовых битов: из-за эффекта наблюдателя, наблюдение бита, находящегося в состоянии суперпозиции, приведет к коллапсу этого состояния в собственное. Поскольку предполагаемый получатель ожидает получить бит в состоянии суперпозиции, он поймет, что произошла атака, так как состояние бита больше не будет суперпозицией.
Квантовые вычисления
Другая цель – разработка квантовых компьютеров, которые, как ожидается, смогут выполнять определенные вычислительные задачи экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры. Вместо классических битов квантовые компьютеры используют кубиты, способные находиться в суперпозиции состояний. Квантовые программисты могут манипулировать суперпозицией кубитов для решения задач, которые неэффективны для классических компьютеров, таких как поиск в несортированных базах данных или факторизация целых чисел. IBM утверждает, что развитие квантовых вычислений может привести к прогрессу в медицине, логистике, финансовых услугах, искусственном интеллекте и облачной безопасности. Еще одним активным направлением исследований является квантовая телепортация, изучающая методы передачи квантовой информации на любые расстояния.
Макромасштабные квантовые эффекты
В то время как квантовая механика в основном применима к микроскопическим атомным масштабам материи и энергии, некоторые системы проявляют квантово-механические эффекты и в макроскопических масштабах. Сверхтекучесть, безвязкое течение жидкости при температурах, близких к абсолютному нулю, является хорошо известным примером. То же самое относится и к тесно связанному явлению сверхпроводимости – безвязкоему течению электронного газа в проводящем материале (электрического тока) при достаточно низких температурах. Дробный квантовый эффект Холла – это топологически упорядоченное состояние, соответствующее паттернам квантовой запутанности на больших расстояниях. Состояния с различными топологическими порядками (или различными паттернами запутанности на больших расстояниях) не могут переходить друг в друга без фазового перехода.
Другие явления
Квантовая теория также предоставляет точные описания многих ранее необъяснимых явлений, таких как излучение абсолютно черного тела и стабильность электронных орбиталей в атомах. Она также дала понимание функционирования многих различных биологических систем, включая обонятельные рецепторы и структуру белков. Недавние исследования фотосинтеза предоставили доказательства того, что квантовые корреляции играют существенную роль в этом фундаментальном процессе растений и многих других организмов. Однако, классическая физика часто может давать хорошие приближения к результатам, полученным с помощью квантовой физики, как правило, в условиях большого числа частиц или больших квантовых чисел. Поскольку классические формулы значительно проще и легче в вычислениях, чем квантовые, классические приближения используются и предпочтительны, когда система достаточно велика, чтобы эффекты квантовой механики были несущественными.