7 zastosowań mechaniki kwantowej

23 listopada 2022

Mimo że upłynęło wiele, wiele lat intensywnych badań słowo kwant wciąż brzmi tajemniczo i jak coś zaciągnięte z fantastyki, a nawet abstrakcyjny przedmiot zainteresowania grupy „twardogłowych”. Tymczasem ta abstrakcyjna i egzotyczna teoria już dawno zagościła w naszym codziennym życiu. Gdzie znajdziemy zastosowanie mechaniki kwantowej na co dzień, otóż:

  1. Tranzystor — dominującymi pierwiastkami na Ziemi są tlen i krzem. Krzem w różnej formie i ilości zawierają większa cześć gleb, skały czy wody podziemne skorupy ziemskiej. Ten pospolity materiał na początku minionego stulecia zyskał znacznie na wartości, kiedy okazało się, że wystarczy dodać do niego trochę boru i fosforu, aby stał się jednocześnie izolatorem jak i przewodnikiem. Podczas połączenia w pary atomów fosforu oraz krzemu jeden elektron pozostaje wolny i umożliwia przepływ prądu. Z kolei łącząc krzem z borem tworzy się dziura przyciągająca swobodne elektrony. I tak wykorzystując oba typy półprzewodników stworzono tranzystor. Bez tego nie mielibyśmy dziś pralek automatycznych, telewizorów, radia a co najważniejsze w dobie techniki układów scalonych. Zapewne do dziś zdani byśmy byli na nieporęczne komputery pracujące na lampach elektronowych.
  2. Zegar atomowy — stare, wahadłowe zegary odliczały godziny poprzez równomierne ruchy wahadła. Nowoczesne atomowe zegary działają na zbliżonej zasadzie z tą różnicą, że ruchy wahadła zastąpiły drgania pojedynczych atomów cezu lub jonu aluminium. Cykliczne zjawiska kwantowe nie podlegają tarciu i innym czynnikom zewnętrznym co daje niesamowitą punktualność. Zegar cezowy daje gwarancję opóźnienia na poziomie jednej sekundy na przełomie 138 milionów lat. Ale po co komu aż taka punktualność? Dotychczas przydała się do pomiaru potwierdzającego ogólnej teorii względności, ale też do synchronizacji system GPS.
  3. Laser — włączając lampkę widzimy rozproszoną i chaotyczną emisję fotonów. Tego rodzaju światło towarzyszy nam codziennie i umożliwia chociażby widzenie w ciemności. Pewien amerykański uczony zadał pytanie: co się stanie, jeśli wyemitujemy złożone z takich samych fotonów spójne światło? Aby to sprawdzić sięgnął po zjawisko emisji wymuszonej. Dotknął fotonem atomy kryształu rubinu wywołując coś na kształt reakcji łańcuchowej. Uderzony elektron przechodził w stan wzbudzony a następnie wracał do stanu wyjściowego emitując przy tym następny foton rozpoczynający kolejną reakcję. Kluczowe jest to ze polaryzacja oraz kierunek ruchu fotonów był identyczny co pozwalało na utworzenie zwartej wiązki. Nie będzie chyba nadużyciem stwierdzenie, że dla obecnej technologii lasery są niemal podobnie ważne jak naturalne światło dla żywych organizmów. Można je spotkać obecnie wszędzie od medycyny (korekcja wzroku), przez komputery (odczyt informacji), metalurgię, komunikację po astronomię (optyka adaptacyjna).
  1. Ogniwa słoneczne — to dość niezwykłe, że przyszłość oraz rozwiązanie wszelkich problemów energetycznych towarzyszy ludziom od początku istnienia. Słońce w każdej chwili emituje niesamowite ilości energii, które uchodzą bezpowrotnie w kosmos. Energetyka słoneczna dość intensywnie się rozwija jednak to wciąż mało, bo zaledwie 1% światowej produkcji elektryczności. Elektrownie słoneczne opierają się na ogniwach fotowoltaicznych, a te z kolei nie mogłyby istnieć bez zjawiska kwantowej fotoelektryki. Wyjaśnieniem tego zjawiska zajął się Einstein, który zauważył, że skoro światło ma charakter cząstkowy to jego kwanty uderzając w powierzchnię metalu wybijają elektrony generując energię. Dokładnie to zjawisko wykorzystują ogniwa słoneczne oraz kamery wideo.
  2. Kryptografia kwantowa — to po prostu utajnienie przesyłanych danych. W dobie powszechnej informatyzacji, największe operacje finansowe dokonywane są wirtualnie, a dziedzina ta nabiera zupełnie innego znaczenia. Nowoczesne techniki kryptograficzne opierają się na mocnych, matematycznych algorytmach. Znawcy tematu podnoszą, że zabezpieczania te mogą się okazać trywialne, kiedy nadejdą bardziej wydajne komputery kwantowe. Światowe systemy bankowe absolutnie nie mogą sobie pozwolić na takie ryzyko i właśnie tu z pomocą przychodzi kryptografia kwantowa. Przenoszona poprzez wiązkę fotonów informacja jest ochraniana przez zasadę nieoznaczoności Heiseberga a w teorii całkowicie uniemożliwi jej odczytanie w „biegu”. Osoba, która włamie się do systemu sama własną obecnością wpłynie na stan kwantowy cząstek niszcząc informację. Metoda ta jest na tyle wygodna, że właściwy adresat zorientuje się, że wiadomość została uszkodzona a ktoś próbował ją przechwycić.
  3. PET i MRI — to dzięki odkryciu promieni X lekarze dostali fantastyczne narzędzie do diagnozowania uszkodzeń wewnętrznych w ciele pacjenta bez użycia skalpela. Obecnie podobny efekt można uzyskać stosując coraz bardziej zaawansowaną medycynę nuklearną. Najbardziej ciekawą i dokładną są badania MRI i PET. Obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) uzyskuje się poprzez zastosowanie silnego magnesu, który to powoduje zwrócenie spinów atomów badanego pacjenta w jednym kierunku. Po takim impulsie atomy przekazują energię, przy czym najwięcej reagują jądra wodoru, czyli protony znajdujące się z każdej molekule wody. MRI jest szeroko stosowany przede wszystkim wtedy, gdy promieniowanie X może być dalece szkodliwe dla pacjentów. Jeszcze bardziej dokładne jest badanie za pomocą tomografii pozytonowej (PET). Po podaniu choremu substancji radioaktywnej, podczas jej rozpadu dochodzi do emisji pozytonów zderzających się z elektronami obecnymi w organie dzięki czemu powstaje promieniowanie gamma. Chore tkanki np. nowotworowe reagują inaczej jak tkanki zdrowe co umożliwia ich identyfikacje za pomocą ciemnych plam na zdjęciu. Jest to najdokładniejsza metoda obecnie stosowana do wykrywania guzów, a szczególnie guza mózgu, ale również wielu innych jednostek chorobowych.
  4. Komputer kwantowy — to przyszłość i to wcale niedaleka. Nasze komputery z ciągu ostatnich lat bardzo zwiększyły swoja wydajność praktycznie bez konieczności konstruowania większych urządzeń. Jeszcze do niedawna nie brano pod uwagą faktu, iż po pewnym czasie dotrzemy jednak do końca fizycznych możliwości klasycznych krzemowych chipów. I tu pojawia się szansa, aby wykorzystać potencjał zjawisk kwantowych. Komputer kwantowy działby na zupełnie inaczej niż powszechnie stosowane. W miejscu obecnych tranzystorów pojawią się pojedyncze cząstki których stany kwantowe będą podobne w działaniu do przewodnictwa i izolacji płytek krzemowych. Komputer przyszłości mógłby z marszu rozłożyć na elementy pierwsze każdą dowolnie dużą liczbą całkowitą. Wiadomym jest, że obliczenia, które obecnym komputerom zajęłoby wieczność tym nowym zajmie zaledwie chwilkę. Wielce prawdopodobne, że jeszcze nasze pokolenie doczeka się pierwszych funkcjonalnych komputerów kwantowych, zwłaszcza że wiele, wielkich koncernów stawia coraz śmielsze kroki w tej dziedzinie.

Other entries

Święta Bożego Narodzenia i tradycje z nimi związane

Święta Bożego Narodzenia i tradycje z nimi związane

Wielkimi krokami zbliża się koniec roku a wraz z nim uwielbiane przez wszystkich Święta Bożego Narodzenia. Wiecie, że w naszym kraju w większości regionów zwyczaje świąteczne są prawie identyczne. W większości domów śpiewane są kolędy i pastorałki, a przy wigilijnym...

czytaj dalej
Fizyka kwantowa, kilka faktów które warto znać

Fizyka kwantowa, kilka faktów które warto znać

Ostatnio słowo kwantowy staje się coraz bardziej popularne. Mamy już kwantowy Internet, kwantowy procesor, kwantowy komputer, a nawet teleportację kwantową. Mechanika kwantowa analizuje świat mikroskopowy, obiekty o małych masach i gabarytach, nie tylko atomy, ale...

czytaj dalej
Komputer kwantowy, co to takiego

Komputer kwantowy, co to takiego

Działanie tego komputera jak już sama nazwa wskazuje opiera się o fizykę kwantową. Przesyłanie danych w takich urządzeniach odbywa się za pomocą kubitów a nie bitów jak w klasycznych komputerach. Co zatem jest innego w tych komputerach w stosunku do starych rozwiązań...

czytaj dalej