Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 10

Artykuły

Kwanty w praniu – 7 zastosowań mechaniki kwantowej

27th Kwi '13

W ciągu kilku, może kilkunastu lat (zależy jak liczyć) przyjdzie nam świętować stulecie badań nad mechaniką kwantową. Niebywałe, że mimo upływu tego czasu, „kwant” nadal brzmi jak ciekawostka, słowo zaczerpnięte z fantastyki lub abstrakcyjny przedmiot zainteresowania wąskiej grupy jajogłowych. Tymczasem, macki tej egzotycznej teorii już dawno opuściły filmy science-fiction i wtargnęły do naszego życia codziennego.

Oto tylko niektóre spośród pośred­nich i bez­po­śred­nich zasto­sowań mecha­niki kwan­towej.

1. Tranzystor

kwantywpraniu1Naj­pow­szech­niej wystę­pu­jącym pier­wiast­kiem na Ziemi jest tlen, a drugi krzem. W różnej formie, zawiera go więk­szość skał, gleb i wód pod­ziem­nych skorupy ziem­skiej. Pospo­lity materiał zyskał na wartości na początku ubie­głego stulecia, gdy okazało się, że wystarczy dodać trochę fosforu i boru, aby do zyskał on cechy zarówno izo­la­tora jak i prze­wod­nika.

Po połą­czeniu w pary atomów krzemu i fosforu, jeden elektron zawsze pozo­staje wolny, pozwa­lając na przepływ prądu. Znowuż, przy połą­czeniu atomów krzemu z borem powstaje dziura, przy­cią­ga­jąca swobodne elek­trony. Wyko­rzy­stując oba typy pół­prze­wod­ników udało się stworzyć tran­zy­stor – pod­sta­wowy element niemal wszyst­kich urządzeń elek­tro­nicz­nych. Bez tran­zy­stora nie byłoby pralek auto­ma­tycz­nych, nowo­cze­snego radia czy tele­wi­zora i przede wszystkim wszech­obec­nych w dzi­siej­szym świecie układów sca­lo­nych. Bez nich, pewnie musie­li­byśmy nadal korzy­stać z nieco nie­po­ręcz­nych kom­pu­terów opartych na lampach elek­tro­no­wych.

2. Zegar atomowy

kwantywpraniu2Dawne zegary waha­dłowe odli­czały czas na pod­stawie rów­no­mier­nych ruchów wahadła. Zegary atomowe działają na podobnej zasadzie, z tym, że okresowe tykanie zastą­piły drgania poje­dyn­czego atomu cezu lub jonu alu­mi­nium. Regu­larne zjawiska kwantowe nie pod­le­gają tarciu i wielu innym czyn­nikom zewnętrznym, co zapewnia nie­zrów­naną punk­tu­al­ność. Jeden z zegarów cezowych, znaj­du­jący się w Wielkiej Brytanii, daje gwa­rancję spóź­nienia nie więk­szego niż jedna sekunda na 138 milionów lat. Ame­ry­kanie znacznie przebili ten rekord, tworząc maszynę zapew­nia­jącą dokładny pomiar czasu przez 3,7 miliardów lat! Po co komu tak pio­ru­nu­jąca punk­tu­al­ność? Jak na razie przydała się do pomiaru potwier­dza­ją­cego zało­żenia ogólnej teorii względ­ności, jak i do syn­chro­ni­zacji systemu GPS.

3. Laser

kwantywpraniu3Kiedy włączamy lampkę, możemy zaob­ser­wować cha­otyczną i roz­pro­szoną emisję fotonów. Tego typu światło towa­rzyszy nam na co dzień i umoż­liwia cho­ciażby widzenie. Ame­ry­kański badacz Theodore Maiman zadał sobie pytanie: co się stanie jeśli wyemi­tu­jemy złożone z iden­tycz­nych fotonów światło spójne? Aby to spraw­dzić, Maiman sko­rzy­stał ze zjawiska emisji wymu­szonej. Popie­ścił fotonem atomy krysz­tału rubinu, ini­cjując coś na kształt reakcji łań­cu­chowej. Uderzony elektron wchodził w stan wzbu­dzony, po czym spadał z powrotem do stanu pod­sta­wo­wego, emitując przy tym kolejny foton ini­cju­jący następną reakcję. Kluczem było jednak to, że pola­ry­zacja oraz kierunek ruchu fotonów był taki sam, co pozwa­lało na stwo­rzenie zwartej wiązki.

Nie będzie przesadą jeśli stwierdzę, że dla współ­cze­snych tech­no­logii lasery są niemal tak ważne jak światło sło­neczne dla żywych orga­ni­zmów. Spo­ty­kamy je wszędzie: od medycyny (korekcja wzroku), przez kom­pu­tery (odczyt infor­macji), woj­sko­wość, meta­lurgię, komu­ni­kację, aż po astro­nomię (optyka adap­ta­cyjna). Pozo­staje czekać na broń laserową, podobną do tej jaką posłu­gi­wali się ARC Tro­operzy z Gwiezd­nych Wojen.

4. Ogniwa słoneczne

kwantywpraniu4To nie­zwykłe, że logiczna przy­szłość i roz­wią­zanie wszel­kich pro­blemów ener­ge­tycz­nych, towa­rzyszy Ziemi od początku jej ist­nienia. Słońce w każdej sekun­dzie emituje nie­sa­mo­wite, z naszego punktu widzenia, ilości energii, które bez­pow­rotnie uchodzą w prze­strzeń kosmiczną. Ener­ge­tyka sło­neczna rozwija się rela­tywnie bardzo szybko, jednak wciąż nie prze­kracza nawet 1% świa­towej pro­dukcji elek­trycz­ności. Nie zmienia to faktu, że naj­bliższa nam gwiazda ma wielki poten­cjał, a my prędzej czy później musimy nauczyć się go wyko­rzy­stywać.

Elek­trownie sło­neczne opierają swoje dzia­łanie na ogniwach foto­wol­ta­icz­nych, a te z kolei nie mogłyby istnieć gdyby nie kwantowe zjawisko foto­elek­tryczne. Jego obja­śnienie zawdzię­czamy samemu Ein­ste­inowi, który zauważył, że skoro światło ma cha­rakter czą­stecz­kowy, to jego kwanty ude­rzając w powierzchnię metalu powinny wybijać elek­trony gene­rując energię. Właśnie to zjawisko wyko­rzy­stują ogniwa sło­neczne oraz… kamery video.

5. Kryptografia kwantowa

kwantywpraniu5Kryp­to­grafia to nic innego jak utaj­nianie prze­sy­ła­nych infor­macji. W dobie powszechnej infor­ma­ty­zacji, kiedy naj­większe operacje finan­sowe (nie wspo­minam już o kwe­stiach woj­sko­wych) doko­ny­wane są wir­tu­alnie, dzie­dzina ta nabiera szcze­gól­nego zna­czenia. Współ­czesne techniki kryp­to­gra­ficzne oparte są na solid­nych, mate­ma­tycz­nych algo­ryt­mach. Jednakże, jak podnoszą nie­którzy znawcy tematu, zabez­pie­czenia te mogą okazać się wręcz try­wialne wraz z nadej­ściem znacznie wydaj­niej­szych kom­pu­terów kwan­to­wych. Światowe systemy bankowe nie mogą sobie pozwolić na takie ryzyko.

Z pomocą przy­chodzi kryp­to­grafia kwantowa. Prze­no­szona przez wiązkę fotonów infor­macja ma być chro­niona przez zasadę nie­ozna­czo­ności Heisen­berga, co w teorii cał­ko­wicie unie­moż­liwi jej odczy­tanie „w locie”. Osoba postronna wła­mu­jąca się do systemu, samą swoją obec­no­ścią wpłynie na stan kwantowy cząstek, niszcząc infor­mację. Metoda ta jest o tyle wygodna, że właściwy adresat zorien­tuje się, że wia­do­mość została naru­szona i ktoś próbował ją prze­chwycić.

6. PET i MRI

kwantywpraniu6Dzięki odkryciu promieni X przez Wilhelma Röntgena, lekarze zyskali nie­by­wałą moż­li­wość dia­gno­zo­wania uszko­dzeń wewnętrz­nych ciała bez użycia skalpela. Obecnie podobny efekt można otrzymać dzięki coraz szerzej sto­so­wanej medy­cynie nukle­arnej. Przy­biera ona różne postacie, spośród których naj­cie­kawsze są badania MRI i PET. 

Obra­zo­wanie metodą rezo­nansu magne­tycz­nego (MRI) polega na użyciu silnego magnesu, który powoduje zwró­cenie się spinów atomów badanego ciała w jednym kierunku. Po takim impulsie atomy oddają energię, przy czym naj­le­piej reagują jądra wodoru (protony) znaj­du­jące się w każdej molekule wody. Znając stężenie życio­daj­nego płynu w poszcze­gól­nych partiach orga­nizmu, możemy je szcze­gó­łowo zre­kon­stru­ować. MRI jest szcze­gólnie przy­datny wtedy, gdy pro­mie­nio­wanie X byłoby już zbyt szko­dliwe dla pacjenta.

Jeszcze popu­lar­niejsza jest analiza obrazu za pomocą tomo­grafii pozy­to­nowej (PET). Polega ona na wstrzyk­nięciu do ciała sub­stancji radio­ak­tywnej. Podczas jej rozpadu dochodzi do emisji pozy­tonów, które zderzają się z elek­tro­nami obecnymi w organie dzięki czemu powstaje słabe pro­mie­nio­wanie gamma. Nie­wła­ściwe tkanki, np. zaata­ko­wane przez nowotwór, nie reagują tak jak oto­czenie co pozwala na ich ziden­ty­fi­ko­wanie jako ciemnych plam na zdjęciu. Badanie PET do dziś jest jednym z naj­lep­szych sposobów na wykry­wanie guzów, zwłaszcza mózgu, a także wielu innych schorzeń układu ner­wo­wego.

7. Komputer kwantowy

kwantywpraniu7A to już melodia przy­szłości. Sfor­mu­ło­wane w latach 60. ubie­głego wieku prawo Moore’a, śmiało zakła­dało, że gęstość tran­zy­storów w układach sca­lo­nych będzie się stale podwajać. Dziś można powie­dzieć, że Gordon Moore miał rację, a nasze kom­pu­tery w ciągu kil­ku­dzie­sięciu lat pokaźnie zwie­lo­krot­niły swoją wydaj­ność, bez potrzeby kon­stru­owania więk­szych urządzeń. Współ­za­ło­ży­ciel Intela nie brał jednak pod uwagę faktu, iż po pewnym czasie dotrzemy do kresu fizycz­nych moż­li­wości kla­sycz­nych, krze­mo­wych chipów. 

Znów z pomocą przy­chodzi potężny poten­cjał zjawisk kwan­to­wych. Hipo­te­tyczny komputer kwantowy dzia­łałby na zupełnie innej zasadzie niż dzi­siejsze urzą­dzenia. W miejscu tra­dy­cyj­nych tran­zy­storów pojawią się poje­dyncze cząstki, których stany kwantowe będą pełniły rolę podobną do prze­wod­nictwa i izolacji płytek krze­mo­wych. Co cie­kawsze, owe drobiny znaj­dować się będą – podobnie do nie­szczę­snego kota Schrödin­gera – w super­po­zycji przyj­mując stan 0 i 1 jed­no­cze­śnie (znane nam bity zastąpią kubity). Oznacza to, że obli­czenia będą doko­ny­wane we wszyst­kich war­to­ściach na raz. W 1994 roku badacze z AT&T wykazali, że komputer kwantowy mógłby z marszu rozłożyć na czynniki pierwsze każdą dowolnie dużą liczbę cał­ko­witą. Jak słusznie zauważył Michio Kaku: Obli­czenia, które zwykłemu kom­pu­te­rowi zajęłyby wiecz­ność, komputer kwantowy wykonuje niemal natych­mia­stowo. Opty­mi­stycznie możemy zakładać, że już nasze poko­lenie powinno doczekać się pierw­szych, funk­cjo­nal­nych kom­pu­terów kwan­to­wych. Zwłaszcza, że coraz śmielsze kroki w tej dzie­dzinie stawiają wielkie koncerny, z IBM na czele.
Literatura uzupełniająca:
M. Kaku, Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku, Warszawa 2010;
J. Gribbin, Kwantowe Reguły, [w:] Współczesna Nauka Bez Tajemnic, pod red. Richarda Fifielda, Poznań 2000;
Wykład Marka Szopy: Paradoksy i zastosowania mechaniki kwantowej, z cyklu Mechanika Kwantowa dla Niefizyków.
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Ano­ny­mous

    Ciekawy artykuł ale nie do końca rozumiem w jaki sposób adresat miałby odczytać wiązki fotonów(Kryptografia kwantowa). Skoro osoba zewnątrz nie morze odczytać przez zasadę nie­ozna­czo­ności Heisen­berga to dlaczego może to adresat?

    A co do wyko­rzy­stania fizyki kwan­towej to ciekawie przed­stawia się moż­li­wość tele­por­tacji. Na Tene­ryfie wyko­rzy­stując splą­tanie atomów tele­por­tują cząstki. Ciekawe kiedy będzie można tele­por­tować większe obiekty i związki orga­niczne.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/15444620938024433355 Michał Nowak

      Ten komen­tarz został usunięty przez autora.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Adresat wypo­sa­żony będzie w odbiornik ska­li­bro­wany tak aby móc odczytać daną sekwencję fotonów. Osoba nie posia­da­jąca odpo­wied­niego „klucza” nie będzie mogła odczytać infor­macji przy okazji wpły­wając na same cząstki.

      O tele­por­tacji nie wspo­mi­nałem, ponieważ to materiał zasłu­gu­jący na znacznie więcej niż kilka lako­nicz­nych zdań.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • owocofil

      Polecam zapoznać się z algo­rytmem Bennetta-Bras­sarda, (BB48, BB84). To jet algorytm do gene­ro­wania klucza za pomocą właśnie kwantów (kubitów w tym przy­padku, które są odpo­wied­ni­kami tra­dy­cyj­nych bitów). Poczytaj o tym to się szybko dowiesz jak to działa.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17443465129484666492 Kuba Grom

    Nie bardzo rozumiem, dlaczego w artykule poja­wiają się „kolek­tory sło­neczne”? Co prawda zauwa­żyłem że wiele osób nie odróżnia ich od ogniw sło­necz­nych, ale autor powinien chyba wiedzieć, że kolek­tory służą do pod­grze­wania wody, a ogniwa do wytwa­rzania prądu bez­po­średnio – i to te drugie opierają się na zja­wi­skach kwan­to­wych.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Autor się kaja. Myślałem, że „kolektor” odnosi się do całości kon­strukcji.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/00932343296538406604 Ezechiel

    @ Autor

    Punkty 1,3,4 i czę­ściowo 6 są tylko ele­men­tami wyko­rzy­stania fizyki ciała stałego. Mecha­nika kwantowa dała podstawy do nowo­cze­snej kry­sta­lo­grafii, teorii kry­sta­li­zacji i badaniom struk­tu­ralnym.

    Ja wiem, że PET czy PV brzmią szpa­nersko, ale bez kwantów nie mie­li­byśmy dzi­siej­szej meta­lurgii, pla­stików – każdy materiał, który nosimy / używamy / jemy był prze­twa­rzany / ana­li­zo­wany z wyko­rzy­sta­niem fizyki ciała stałego. I to jest naj­większe prak­tyczne wyko­rzy­stanie kwantów. 

    Bez teorii poziomów ener­ge­tyczncyh, bez roz­gry­zienia zjawisk prze­wod­nictwa, bez mikro­skopii elek­tro­nowej (TEM, SEM, AFM) dzi­siejsza technika by nie istniała.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Ale w Gwiezd­nych Wojnach to blastery są na wypo­sa­żeniu żoł­nierzy, a nie lasery. Lasery są chyba głównie na wypo­sa­żeniu np. kano­nierek czy statków. Według Ossusa blastery nie strze­lają światłem, a plazmą. http://ossus.pl/biblioteka/Blaster

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.gts-serwis.pl/ Bartek Gitis

    Przyznam, że zabłą­dziłem w inter­necie szukając czegoś zupełnie innego ale strona bardzo ciekawa, nie wie­di­załem, że jest tylu entu­zja­stów fizyki 🙂 Pozdra­wiam

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Kolo­kwium z orga­nicznej

    Jako przyszły chemik proszę o popra­wienie „jonów alu­mi­nium” na „jony glinu”. Pier­wia­stek o liczbie atomowej 13 w języku polskim to glin, a alu­mi­nium to stopy tego metalu z innymi. Jon alu­mi­nium byłby więc kilkoma katio­nami np. glinu, żelaza, manganu.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0