Fisika kuantum

Fisika kuantum adalah bidang fisika yang luas yang meliputi setiap mata pelajaran bersangkutan dengan sistem-sistem yang menunjukkan efek mekanis kuantum yang terkenal.

Penerapan

Mekanika kuantum sangat penting dipelajari untuk memahami bagaimana atom-atom secara individual bergabung menjadi ikatan kovalen untuk membentuk molekul-molekul. Aplikasi mekanika kuantum untuk kimia dikenal sebagai kimia kuantum. Mekanika kuantum juga bisa menyediakan wawasan kuantitatif tentang proses ionik dan ikatan kovalen dengan menunjukkan secara eksplisit yang molekul-molekul menguntungkan secara energi ke lainnya dan tingkatan dari energinya terlibat. Selanjutnya, sebagian besar perhitungan dilakukan dalam kimia komputasi modern mengandalkan mekanika kuantum.

Dalam banyak aspek, teknologi modern beroperasi dalam skala tertentu dimana efek kuantum signifikan. Penerapan penting teori kuantum termasuk kimia kuantum, optik kuantum, komputer kuantum, magnet superkonduktor, diode pancaran cahaya, penguat optik dan laser, transistor dan semikonduktor seperti mikroprosesor, pencitraan medis seperti pencitraan resonasi magnet dan mikroskop elektron. Penjelasan untuk banyaknya fenomena biologis dan fisik berakar dalam sifat ikatan kimia, terutama pada DNA molekul makro.

Elektronik

Banyak perangkat-perangkat elektronik modern diranvang menggunakan mekainika kuantum. Contohnya termasuk laser, transistor (dan dengan demikian mikrochip), mikroskop elektron dan pencitraan resonansi magnetik. Studi tentang semikonduktor mengarah ke penemuan diode dan transistor, yang merupakan bagian tak terpisahkan dari sistem elektronik modern, perangkat komputer dan telekomunikasi. Penerapan lainnya adalah untuk membuat diode laser dan diode pancaran cahaya, yang merupakan sumber cahaya berefisiensi tinggi.

Sebuah mekanisme kerja perangkat diode penerowongan resonansi, berdasarkan fenomena phenomenon penerowongan kuantum melalui potential barriers. (Kiri: diagram pita; Tengah: koefisien transmisi; Kanan: karakteristik tegangan arus) Seperti yang ditunjukkan pada diagram pita (kiri), meskipun terdapat dua perintang, elektron masih menerowong melalui keadaan terbatas antara dua perintang (tengah) dan arus konduksi.

Banyak perangkat-perangkat beroperasi di bawah pengaruh penerowongan kuantum. Itu bahkan ada dalam saklar lampu sederhana. Saklarnya tidak akan bekerja jika elektron-elektron tidak bisa menerowong kuantum memlaui lapisan oksidasi pada permukaan kontak logam. Chip memori kilat ditemukan dalam perangkat USB menggunakan penerowong kuantum untuk menghapus sel-sel memori. Beberapa perangkat resistansi diferensial negatif juga memanfaatkan efek penerowongan kuantum, seperti diode penerowongan resonansi. Tidak seperti diode klasik, arusnya dibawa oleh penerowongan resonansi melalui dua perintang potensial (lihat gambar kanan). Perilaku perlawanan negatifnya hanya dapat dipahami dengan mekanika kuantumː Saat keadaan terbatas bergerak mendekati level Fermi, arus terowongan meningkat. Saat bergerak menjauh, arusnya menurun. Mekanika kuantum diperlukan untuk dipahami dan dirancang seperti perangkat-perangkat elektronik.

Kriptografi

Penelitin sedang mencari metode yang kuat untuk memanipulasi keadaan kuantum secara langsung. Upaya sedang dilakukan untuk lebih mengembangkan kriptografi kuantum, yang secara teoritis memungkinkan dijamin mengamankan transmisi informasi.

Keuntungan inheren dihasilkan oleh kriptogragi kuantum ketika dbandingkan dengan kriptografi klasik adalah deteksi penyadap pasif. Ini adalah hasil alami dari perilaku bit kuantum; karena efek pengamat, jika sebuah bit dalam sebuah keadaan superposisi harus diamati, keadaan superposisi akan runtuh menjadi sebuah eigenkeadaan. Karena penerima yang dituju diharapkan untuk menerima bit dalam sebuah keadaan superposisi, penerima yang dituju akan tahu terdapat sebuah penyerangan, karena keadaan bit-bitnya tidak lagi berada dalam sebuah superposisi.

Komputasi kuantum

Tujuan lainnya adalah pengembangan komputer kuantum, yang diharapkan untuk melakukan tugas komputasi tertentu secara eksponensial lebih cepat daripada komputer klasik. Alih-alih menggunakan bit klasik, komputer kuantum menggunakan qubit, yang dapat berada di superposisi keadaan: Programmer kuantum mampu memanipulasi superposisi qubit untuk menyelesaikan masalah bahwa komputasi klasik tidak dapat dilakukan secara efisien, seperti mencari database yang tidak disortir atau faktorisasi bilangan bulat. IBM mengklaim bahwa munculnya komputasi kuantum dapat memajukan bidang kedokteran, logistik, layanan keuangan, kecerdasan buatan dan keamanan awan.

Topik penelitan aktif lainnya adalah teleportasi kuantum, yang berhubungan dengan teknik-teknik untuk mengirimkan informasi kuantum melalui jarak yang berubah-ubah.

Efek kuantum skala makro

Sementara mekanika kuantum terutama berlaku untuk atomik lebih kecil mengatur masalah materi dan , beberapa sistem menunjukkan efek mekanis kuantum pada sebuah skala besar. Superfluida, aliran tanpa gesekan dari cairan pada suhu mendekati nol mutlak, adalah salah satu contoh terkenal. Begitu juga dengan fenomena yang terkait erat dengan superkonduktivitas, aliran tanpa gesekan dari sebuah gas elektron dalam sebuah bahan konduksi (sebuah arus listrik) pada suhu yang cukup rendah. Efek Hall kuantum pecahan adalah keadaan terurut topologi yang sesuai dengan pola keterkaitan kuantum jarak jauh. Keadaan dengan urutan topologi yang berbeda (atau pola-pola berbeda keterkaitan jarak jauh) tidak dapat dibuah menjadi satu sama lain tanpa sebuah transisi frasa.

Fenomena lainnya

Teori kuantum juga menyediakan deskripsi yang akurat untuk banyaknya fenomena yang tidak dijelaskan sebelumnya, seperti radiasi benda-hitam dan stabilitas dari orbital-orbital elektron-elektron. Itu juga diberikan wawasan ke dalam cara kerja banyaknya sistem biologis yang berbeda, termasuk reseptor bau dan struktur protein. Pekerjaan terbaru pada fotosintesis telah memberikan bukti bahwa korelasi kuantum memainkan sebuah peran esensial dalam proses dasar tanaman ini dan banyak organisme-organisme lainnya. Walaupun demikian, fisika klasik sering dapat memberikan perkiraan yang baik untuk hasil yang diperoleh fisika kuantum, biasanya dalam keadaan dengan bilangan-bilangan partikel-partikel terbesar atau bilangan kuantum terbesar. Karena rumus klasik sangat sederhana dan mudah untuk dihitunfg daripada rumus kuantum, perkiraan klasik digunakan dan lebih disukai ketika sistemnya cukup besar untuk membuat efek mekanik kuantum yang tidak signifikan.