¿Qué es la tecnología cuántica y sus aplicaciones?
El origen de lo cuántico
Este es un tema llamado "Dios juega a los dados con el universo" por Einstein y Bohr. También es una rama de la física que estudia "la materia en los extremos". reino microscópico", y de él se sacaron muchas conclusiones sorprendentes. Los científicos han descubierto que los electrones se comportan como ondas y partículas (dualidad onda-partícula), pero agregar la observación humana es suficiente para cambiar instantáneamente sus propiedades; las partículas a miles de kilómetros de distancia pueden conectarse entre sí instantáneamente (entrelazamiento cuántico) ; dos direcciones al mismo tiempo (Principio de Incertidumbre de Heisenberg); El universo es un lugar muy diferente. (Principio de Incertidumbre de Heisenberg); sin mencionar que el gato postulado por esta teoría está vivo y muerto (el gato de Schrödinger)...
Como se mencionó anteriormente, estos estudios Los resultados son a menudo subversivos porque básicamente desafían el pensamiento lógico habitual de la gente. Tanto es así que Einstein tuvo que lamentarse: "Cuanto más exitosa es la mecánica cuántica, más absurda se vuelve".
Las ideas de Einstein parecen ser más aceptadas ahora que hace un siglo, cuando la humanidad incursionó por primera vez en el reino cuántico. Cuanto más matemáticamente perfecta se vuelve la mecánica cuántica, más crudas parecen nuestras intuiciones instintivas. Tenemos que admitir que, aunque la mecánica cuántica todavía parece extraña y ajena, ha traído cambios revolucionarios a la humanidad en muchos aspectos durante los últimos cien años. Como dice James Kakalios en el prefacio de su libro La asombrosa historia de la mecánica cuántica: "¿Dónde está la mecánica cuántica? ¿No estás inmerso en ella?
Extraño cuántico, extraño transistor
La versión en línea de la revista estadounidense "Discover" presentó una gran aplicación de la mecánica cuántica en el mundo real. Este es el transistor con el que la gente no está familiarizada desde hace mucho tiempo. En 1945, el ejército estadounidense fabricó con éxito la primera computadora con tubo de vacío del mundo, ENIAC. Este gigante pesaba más de 30 toneladas, cubría un área cercana al tamaño de una casa pequeña y costó 1 millón de dólares. ser un transeúnte en la historia del desarrollo de las computadoras, porque en ese momento, los científicos de los Laboratorios Bell ya estaban intensificando sus esfuerzos para desarrollar un nuevo invento que pudiera reemplazar el tubo de vacío: el transistor. La ventaja del transistor es que puede actuar como amplificador de señal electrónica y como convertidor. Este es casi el requisito funcional más básico de todos los dispositivos electrónicos modernos. Pero el transistor es, ante todo, gracias a la mecánica cuántica. En 1930, el investigador de la Universidad de Stanford, Eugene Wagner, y su alumno Friedrich Seitz descubrieron la naturaleza de los semiconductores: son a la vez conductores y aislantes en los transistores. La aplicación de voltaje puede realizar la función de la puerta y controlar el encendido y apagado de la corriente en el tubo. Este principio se puede utilizar para codificar información de modo que pueda manipularse con un lenguaje compuesto por "1" y "0".
Durante la siguiente década, los científicos de Bell Labs construyeron y mejoraron el primer transistor del mundo. En 1954, el ejército estadounidense construyó la primera computadora de transistores del mundo, la TRIDAC, que era voluminosa e incómoda en comparación con su confiable predecesora, la computadora de tubo de vacío, la TRIDAC tenía solo 3 pies cúbicos de tamaño y alimentaba solo 100 vatios.
Hoy en día, Intel y AMD pueden incluir miles de millones de microprocesadores en sus chips de última generación. Y todo esto hay que atribuirlo a la mecánica cuántica.
La interferencia cuántica "resuelve" el problema de la recuperación de energía
En mi humilde opinión, es difícil conectar la teoría representada por la mecánica cuántica con los resultados que produce, porque suena como dos completamente. cosas diferentes. La "recuperación de energía" es un buen ejemplo.
Cada vez que conducimos un automóvil, inevitablemente hacemos algo negativo: desperdiciar energía. Esto se debe a que cuando el motor enciende el combustible, se crea la fuerza motriz para impulsar el automóvil. A medida que avanza, una cantidad significativa de energía se pierde en forma de calor o, francamente, se desperdicia en el aire. En este caso, investigadores de la Universidad de Arizona intentaron resolver este problema utilizando el principio de interferencia cuántica de la mecánica cuántica. p>
La interferencia cuántica describe el proceso de superposición de varios estados diferentes del mismo sistema cuántico en un estado puro. Suena completamente ridículo, pero los investigadores lo han utilizado para desarrollar un material termoeléctrico molecular que puede convertir eficazmente el calor en electricidad. Además, el material tiene sólo una millonésima de pulgada de espesor, no requiere piezas móviles externas adicionales y no produce contaminación cuando está en funcionamiento, dijo el equipo. Sistema de gas, el automóvil recibirá suficiente electricidad para encender 200 bombillas de 100 vatios. - Aunque la teoría es confusa, la cifra es obvia.
Por lo tanto, el entusiasmo del equipo de investigación por este nuevo material es tan seguro que el material también podría usarse en otras áreas donde se produce pérdida de calor. ocurre, como los paneles solares fotovoltaicos que pueden convertir el calor en electricidad. Lo que necesitamos saber es que todo esto está "arreglado" por interferencia cuántica
Reloj cuántico incierto y extremadamente determinista
Como persona común, no le importa si su reloj está adelantado medio minuto o retrasado diez segundos. Si un país como el Observatorio Meteorológico Naval de EE. UU. es responsable de mantener el tiempo, los errores son de medio minuto y medio minuto. Afortunadamente, todas estas unidades organizativas importantes pueden confiar en relojes atómicos para mantener la hora más precisa que antes. Todos los relojes deben ser precisos. El más difícil es el reloj atómico de cesio, que no puede mantener un error mayor. de 1 segundo después de 20 millones de años.
Al ver un reloj tan preciso, te preguntarás, ¿de verdad alguien los usa? La respuesta es sí, alguien los necesita, por ejemplo, para calcular la trayectoria. Una nave espacial, debe tener una comprensión clara de la ubicación del destino, ya sea una estrella o un asteroide. La distancia también es un factor que debe tenerse en cuenta una vez que sobrevolemos los límites de la galaxia. , los errores serán cada vez más pequeños.
Entonces, ¿qué tiene que ver la mecánica cuántica con todo esto? Para los relojes atómicos, el mayor enemigo de los errores es el ruido cuántico, que puede debilitar la capacidad de los relojes atómicos. Ahora, dos investigadores de una universidad alemana han desarrollado una forma de suprimir los niveles de ruido cuántico ajustando los niveles de energía de los átomos de cesio. Ahora, están intentando aplicar este método a todos los relojes atómicos. Cuanto mayor sea la tecnología, mayores serán los requisitos de tiempo.
Criptografía cuántica invencible
Los Badars siempre han sido conocidos por su valentía y destreza en la guerra, pero no debemos pasar por alto sus talentos estratégicos. Para evitar que sus enemigos se enteraran de sus operaciones militares de antemano, los espartanos utilizaron algo llamado dispositivo de cifrado para cifrar y descifrar información confidencial. Envolvieron un trozo de pergamino alrededor de un poste, luego escribieron un mensaje en él y finalmente retiraron el pergamino. Esto permitió a los oficiales espartanos dar órdenes que al enemigo le parecían incoherentes. Sus propios oficiales podrían simplemente rebobinar el pergamino alrededor de un pilar del mismo tamaño y leer la orden real.
Las habilidades rudimentarias de los espartanos fueron solo el comienzo de una larga historia de la criptografía. Hoy en día, la criptografía cuántica, que se basa en algunas propiedades extrañas de la materia microscópica, se ha declarado públicamente irresoluble. Se trata de un nuevo método de transmisión de información mediante el efecto de entrelazamiento cuántico, basado en el estado de polarización de un solo fotón.
Su seguridad radica en que mientras alguien irrumpa en la red de transmisión, el haz de fotones será interferido y los detectores de cada nodo señalarán el aumento en el nivel de error, emitiendo así una alerta de ataque al remitente y al receptor; También seleccionará aleatoriamente un haz de fotones. Comparará los valores clave del conjunto, y solo cuando todos coincidan se considerará que nadie está escuchando a escondidas. En otras palabras, los piratas informáticos no pueden irrumpir en un sistema cuántico sin dejar un rastro de interferencia, porque el mero acto de intentar decodificarlo haría que el criptosistema cuántico cambiara su estado. Por lo tanto, incluso si un pirata informático intercepta con éxito un conjunto de claves de decodificación para un mensaje cifrado, hará que las claves cambien mientras lo hace. Por lo tanto, cuando el destinatario legítimo del mensaje verifica la clave, puede descubrir fácilmente lo que sucedió y reemplazarla con una nueva clave.
La aparición de la criptografía cuántica se considera el regreso de la "seguridad absoluta", pero no existe un muro hermético en el mundo. Los noruegos, que tienen una historia de piratas vikingos hace más de mil años, rompieron el mito de que los códigos cuánticos no tienen solución. Con la ayuda de un dispositivo que lee mal los mensajes codificados, obtuvieron el mensaje sin intentar decodificarlo. Pero admiten que esto no es más que explotar un vacío legal en la tecnología existente, que podrá evitarse cuando se perfeccione la criptografía cuántica.
Generadores de números aleatorios: los "dados cuánticos" de Dios
Los llamados generadores de números aleatorios no son algo misterioso inventado en viejas telenovelas. Utilizan la mecánica cuántica para crear números verdaderamente aleatorios. Pero ¿por qué los científicos hacen todo lo posible para profundizar en el mundo cuántico y encontrar números aleatorios, en lugar de simplemente lanzar una moneda o un dado? La respuesta está en el hecho de que la verdadera aleatoriedad sólo existe a nivel cuántico. De hecho, si los científicos reúnen suficiente información sobre la tirada de un dado, pueden predecir el resultado de antemano. Esto es válido para la ruleta, las loterías e incluso los resultados de lotería generados por computadora.
Sin embargo, en el mundo cuántico todo es absolutamente impredecible. Los investigadores del Instituto de Física Óptica de la Universidad Max Planck aprovecharon esta imprevisibilidad para crear un "dado cuántico". Primero generaron ruido cuántico creando fluctuaciones en el vacío y luego midieron el nivel de aleatoriedad generado por el ruido, obteniendo así números verdaderamente aleatorios que pueden usarse para cifrar información, pronosticar el tiempo y otras tareas. Vale la pena señalar que estos dados están montados en chips de estado sólido y pueden usarse de diferentes maneras.
Hemos tenido un estrecho contacto con los láseres
Al igual que en la experiencia de la mecánica cuántica, los láseres también fueron considerados en sus inicios "gigantes teóricos, enanos prácticos". Pero hoy en día, ya sea en los reproductores de CD domésticos o en los "sistemas de defensa antimisiles", los láseres se han vuelto fundamentales para la vida humana contemporánea. Sin embargo, sin la mecánica cuántica, nuestra historia con los láseres probablemente terminaría en un "paso de largo".
El principio detrás de los láseres es que primero golpean los electrones que orbitan alrededor de los átomos, lo que hace que emitan fotones a medida que regresan a un nivel de energía más bajo. Estos fotones luego hacen que los átomos circundantes hagan lo mismo: emitan fotones. Finalmente, guiados por el láser, estos fotones forman un flujo de haz concentrado estable, que es lo que vemos como luz láser. Por supuesto, no lo sabríamos sin el físico teórico Max Planck y su descubrimiento de los principios de la mecánica cuántica. Planck señaló que los niveles de energía de los átomos no son continuos, sino dispersos e incoherentes. Cuando un átomo emite energía, lo hace en las unidades fundamentales más pequeñas de valores discretos, llamadas cuantos. En realidad, los láseres emiten energía excitando cuantos específicos.
Termómetros de ultraprecisión diseñados para afrontar desafíos extremos
Si utilizaras un termómetro médico común y corriente para medir una temperatura una centésima bajo el cero absoluto, el termómetro terminaría en la misma lugar. Entonces, ¿cómo afrontar temperaturas tan extremas? Investigadores de la Universidad de Yale han inventado un termómetro mágico que puede manejar precisamente eso. No sólo permanece estable en entornos extremos, sino que también proporciona valores increíblemente precisos.
Para fabricar el termómetro, el equipo tuvo que repensar la forma en que fue diseñado. Por ejemplo, un método para obtener un valor numérico exacto. Afortunadamente, en su búsqueda de precisión, los científicos recurrieron a los túneles cuánticos para obtener las respuestas que buscaban.
Como excavar en el interior de una montaña en lugar de subir y bajar por su superficie, las partículas crean ruido cuántico cuando cruzan barreras potenciales. Midiendo este ruido utilizando el termómetro cuántico del equipo, sería posible determinar con precisión la temperatura de los sujetos experimentales.
Aunque este tipo de termómetro tiene poca importancia para la vida diaria de la gente común, puede resultar útil en laboratorios científicos, especialmente laboratorios de materiales que requieren ambientes de temperatura extremadamente baja. Ahora, los investigadores están trabajando para mejorar la precisión del termómetro a través de una variedad de métodos, y esperan que a medida que se generalice, los entornos de investigación más extremos se beneficien.
Tecnología de onda estacionaria de transductor de energía cuántica
Tecnología de onda estacionaria de transductor de energía cuántica. Su principio fundamental se basa en cápsulas de energía cuántica de alta tecnología. Después de que el producto ingresa a la cavidad, se implanta energía mediante intervención física como "sonido, luz, electricidad y magnetismo".
Además, implantar ondas estacionarias a nivel molecular de la materia no cambiará la estructura molecular ni las propiedades originales de la materia. Los productos implantados cuánticamente no tienen una vida media teórica, y los productos cuánticos existentes en el laboratorio todavía tienen energía cuántica saturada después de 17 años.
Todo el mundo ama las computadoras cuánticas
En un artículo publicado en 1965, el cofundador de Intel, Gordon Moore, hizo una predicción sobre el futuro de la tecnología informática. Algunas predicciones aproximadas pero profundas. La más importante de ellas fue la que se conoció como Ley de Moore: el número de transistores por pie cuadrado de circuitos integrados se triplicaría cada 18 meses. Esta ley ha tenido un profundo impacto en el desarrollo de la tecnología informática, pero ahora la Ley de Moore parece estar llegando a su fin, porque en 2020 los chips de silicio alcanzarán sus límites físicos y, a medida que el tamaño de los transistores siga reduciéndose, Empezar a seguir las reglas del mundo cuántico.
En lugar de ser “hostiles” a las leyes del mundo cuántico, es mejor adaptarse a la era cuántica. Hoy en día, los científicos que trabajan con computadoras cuánticas están haciendo precisamente eso. En comparación con las computadoras tradicionales, las computadoras cuánticas tienen una ventaja incomparable: el procesamiento paralelo. Con el poder del procesamiento paralelo, las computadoras cuánticas pueden manejar múltiples tareas al mismo tiempo en lugar de priorizarlas como las computadoras tradicionales. Esta característica de los ordenadores cuánticos está destinada a superar a los ordenadores tradicionales a un ritmo exponencial en el futuro.
Sin embargo, los científicos aún necesitan superar algunos desafíos serios antes de que la computación cuántica pueda convertirse en una realidad. Por ejemplo, las computadoras cuánticas utilizan qubits que tienen una capacidad de almacenamiento mucho mayor que los bits tradicionales, pero desafortunadamente los qubits son muy difíciles de crear porque requieren múltiples partículas para formar una red. Hasta ahora, los científicos han podido entrelazar sólo 12 tipos de partículas al mismo tiempo. Para que las computadoras cuánticas tengan valor comercial, este número debe aumentarse al menos docenas, si no cientos, de veces.
Teletransportación de la ciencia ficción a la realidad
Las películas de ciencia ficción, especialmente aquellas con temas espaciales, son muy aficionadas a la teletransportación: un hombre grande desaparece misteriosamente en un lugar y luego aparece en otro. colocar en un instante sin ningún transportista.
La teletransportación es la transmisión invisible de estados cuánticos, y es el estado de movimiento "entrelazado" de cuantos en el extremadamente extraño mundo cuántico. Los fotones en este estado son como "telepatía", permitiendo que el estado cuántico que necesita transmitirse "viaje a través del tiempo y el espacio", desapareciendo misteriosamente en un lugar sin ningún portador, y apareciendo instantáneamente en otro lugar. En el "superviaje en el tiempo" ya no se transmite información clásica, sino información cuántica transportada por estados cuánticos. Esta información cuántica es la composición de la futura red de comunicación cuántica.
Previamente, un equipo de seis ingenieros de IBM demostró que la transmisión a larga distancia era totalmente posible, al menos en teoría. Pero cabe señalar que en este proceso, el "original" se perderá; como la teletransmisión no es una "máquina de fax", su "documento" original será destruido. "será destruido por él. Lo que parece ser una "copia" del original es en realidad un cambio del original.
En 2009, los científicos del Instituto Cuántico Conjunto de la Universidad Estatal de Maryland llevaron a cabo un experimento de "procesamiento de información cuántica" y lograron con éxito la teletransportación cuántica de un átomo a otro átomo en un estado de contenedor a 1 metro de distancia. Aunque este experimento convierte un átomo en otro átomo, donde el segundo átomo desempeña el papel del primer átomo, lo cual es diferente del concepto de "transmisión original", la transmisión de átomo a átomo es importante para sistemas ultradensos y ultrarrápidos. cuántica El desarrollo de las computadoras y las comunicaciones cuánticas es de gran importancia.
Sí, la "teletransportación" no sólo es valiosa para lograr el objetivo de teletransportar objetos, sino que antes de lograr este objetivo, la investigación que conduce al "Santo Grial" también ha demostrado ser útil en muchos otros campos. Muy útil. Esto es válido para todas las investigaciones en mecánica cuántica y, de hecho, para todas las actividades científicas humanas.
¿Quieres saber qué es la comunicación instantánea real?
Los logros de la mecánica cuántica en el pasado no tienen precio, pero los científicos tienen razones para creer que alcanzará logros aún mayores en el futuro.
Hoy en día, cuando estás rodeado de las llamadas "comunicaciones instantáneas" como teléfonos móviles, mensajes de texto, correos electrónicos, MSN, Fetion, etc., puedes pensar que ya estás cubierto. La realidad es que los sonidos, las palabras y las imágenes tardan un poco, más o menos, en llegar a su destino. Los métodos de comunicación que las personas pueden usar ahora son extremadamente cortos, pero en un futuro lejano, la comunicación entre personas ya no se limitará a continentes, sino que puede necesitar abarcar toda la galaxia, lo que aumentará en gran medida el tiempo de comunicación. -Por ejemplo, en El 6 de agosto de este año aterrizó en Marte el rover "Curiosity". Actualmente es el rover marciano más grande del mundo. El rover Curiosity aterrizó en Marte el 6 de agosto de este año y las señales que envió se retrasaron diez minutos antes de llegar a la Tierra. Pero esta es sólo la distancia entre la Tierra y Marte en el sistema solar. Si la distancia se amplía aún más, los científicos creen que, por muy grande que sea, sólo la mecánica cuántica tiene la capacidad de lograr una comunicación realmente "instantánea".
La clave para hacer realidad la comunicación instantánea radica en el fenómeno del entrelazamiento cuántico que en la mecánica cuántica Einstein lo llamó "teletransportación espeluznante", que se refiere a que dos partículas en estado entrelazado pueden moverse incluso si están entrelazadas. están enredados. Aunque estemos lejos, todavía podemos mantener una cierta conexión. En pocas palabras, cuando se mide u observa una de las partículas, el estado de la otra partícula cambia instantáneamente. Esta sinergia "telepática" estaba más allá de la explicación de las reglas de la física clásica, por lo que Einstein la descartó como un fantasma. Sin embargo, mediante el entrelazamiento cuántico, podemos manipular una de las partículas para hacer que la partícula correspondiente cambie instantáneamente, completando así la acción de enviar y recibir "correos electrónicos cósmicos".