Aplicaciones
La mecánica cuántica levantó la dualidad onda-partícula, mostrando que las partículas microscópicas (electrones, átomos, etc.) no son bolas de billar muy pequeñas sino otra cosa gobernada por otras ecuaciones. La dualidad onda-partícula en el campo electromagnético desaparece al hacer una teoría cuántica del mismo. Es de hacer notar que el comportamiento ondulatorio de los electrones contenido en la mecánica cuántica dio origen al microscopio electrónico construido por primera vez por Ernst Ruska en Berlín en la primera mitad de la década del 30. Otro hecho típicamente cuántico también merece mención por sus aplicaciones científico-tecnológicas: el efecto túnel. El nombre proviene de lo siguiente. Si se suelta una bolilla junto a la pared interna de un recipiente semiesférico, la misma sube del lado opuesto hasta aproximadamente la misma altura desde la que se la soltó; por razones de conservación de energía, la bolilla no puede escapar del recipiente. Pero cuando se trata de una partícula gobernada por las leyes de la mecánica cuántica, la misma tiene una probabilidad no nula de estar fuera del recipiente. Hablando clásicamente es como si hubiera cavado un túnel a través de la pared del recipiente. La primera aplicación práctica de esto fue el diodo de efecto túnel, uno de los dispositivos que revolucionó la electrónica. Más recientemente, en la primera mitad de la década del 80, los científicos Gerd Birnning y Heinrich Roher, del Laboratorio de Investigación de la IBM en Zurich, inventaron el microscopio de efecto túnel, un ultramicroscopio que casi permite "ver" los átomos. Recibieron el Premio Nobel por ello en 1986, compartiéndolo con Ruska por su invento del microscopio electrónico medio siglo antes (Robinson, 1986).
La mecánica cuántica en la química:
La química cuántica es la aplicación de la mecánica cuántica a problemas de química.
Una aplicación de la química cuántica es el estudio del comportamiento de átomos y moléculas, en cuanto a sus propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y mecánicas, y también su reactividad química, sus propiedades redox, etc., pero también se estudian materiales, tanto sólidos extendidos como superficies.
Como los estudios mecanocuánticos sobre átomos se consideran en la frontera entre la química y la física, y no se incluyen por lo general dentro de la química cuántica, frecuentemente se considera como primer cálculo de química cuántica el llevado a cabo por los científicos alemanes Walter Heitler y Fritz London (aunque a Heitler y a London se les suele considerar físicos). El método de Heitler y London fue perfeccionado por los químicos americanos John C. Slater y Linus Pauling, para convertirse en el método de enlace de valencia (o Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP)). En este método, se presta atención particularmente a las interacciones entre pares de átomos, y por tanto se relaciona mucho con los esquemas clásicos de enlaces entre átomos.
Friedrich Hund y Robert S. Mulliken desarrollaron un método alternativo, en que los electrones se describían por funciones matemáticas deslocalizadas por toda la molécula. El método de Hund-Mulliken (o de orbitales moleculares) es menos intuitivo para los químicos, pero, al haberse comprobado que es más potente a la hora de predecir propiedades que el método de enlace de valencia, es virtualmente el único usado en los últimos años.
La mecánica cuántica en la física:
En física, la mecánica cuántica (conocida originalmente como mecánica ondulatoria) es una de las ramas principales de la física que explica el comportamiento de la materia y de la energía. Su campo de aplicación pretende ser universal (salvando las dificultades), pero es en el mundo de lo pequeño donde sus predicciones divergen radicalmente de la llamada física clasica.
De forma específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma que no incorpora la relatividad en su formalismo, tan sólo como añadido mediante teoría de perturbaciones. La parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas, es la mecánica cuántica relativista o ya, de forma más exacta y potente, la teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar) y más generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción que no se ha podido cuantificar ha sido la interacción gravitatoria.
La mecánica cuántica es la base de los estudios del átomo, los núcleos y las partículas elementales, (siendo ya necesario el tratamiento relativista) pero también en teoría de la información, criptografía y química.
La mecánica cuántica en la electronica:
En la electrónica cuántica es el área de la física que se ocupa de los efectos de la mecánica cuántica en el comportamiento de los electrones en la materia y de sus interacciones con los fotones.
Hoy raramente se considera un subcampo en su propio derecho, ya que ha sido absorbida por otros campos: la física de estado sólido regularmente toma en cuenta la mecánica cuántica, y usualmente trata sobre los electrones. La aplicación específica de la electrónica se investiga dentro de la física del semiconductor.
El campo también abarca los procesos básicos de la operación del láser donde los fotones están interactuando con los electrones: absorción, emisión espontánea, y emisión estimulada.
El término fue usado principalmente entre los años 1950 y los años 1970. Hoy, el resultado de la investigación de este campo es usado principalmente en óptica cuántica, especialmente para la parte de ella que se nutre no de la física atómica sino de la física de estado sólido.
La mecánica cuántica y la educación:
La introducción a la mecánica cuantica se expone tradicionalmente en Química, y no se llega a introducir en Física salvo aquellos centros de Ingeniería Superior que ofertan asignaturas del tipo Ampliación de la Física. Hoy en día. gracias al software interactivo se introducen ideas básicas de Mecánica Cuántica en Bachillerato y otras etapas pre-universitarias además de los fundamentos de la Mecánica clásica.
Desde que el ordenador se asomó tímidamente en las aulas como herramienta didáctica, distintos temas de Mecánica Cuántica son la pasión de profesores-programadores, por su naturaleza compleja desde la perspectiva matemática, y probablemente algo alejados de la experiencia cotidiana. El software de nueva generación proporciona descripciones cualitativas de las fases distintas de eventos o fenómenos mediante representaciones gráficas interactivas. Existen en Mecánica Cuántica pocas experiencias relevantes que puedan realizarse en un laboratorio escolar. La complejidad computacional de las experiencias reales, y los tiempos habitualmente cortos en los que ocurren, ocultan el proceso físico. Mediante las simulaciones en el ordenador se puede prescindir de aparatos de medida tradicionales y del exterior al sistema objeto del estudio y permite visualizar el proceso físico, acelerando o retardando según convenga.
La secuencia de contenidos destaca la dispersión de partículas asociada a fundamentos de Mecánica, el estudio de las fuerzas centrales y conservativas y el estudio de la interacción eléctrica. La trascendencia histórica de la experiencia de Rutherford en el descubrimiento de la estructura atómica suele acaparar los comentarios al principio del estudio del átomo.
Las teorías modernas del átomo se conceptualizan con el estudio del efecto fotoeléctrico y con la explicación que Einstein aporto al asunto, y con la experiencia de Frank-Hertz, la difracción de electrones y la experiencia de Stern-Gerlach.
Las soluciones simples de la ecuación de Schrödinger: el escalón de potencial, la barrera de potencial, el efecto túnel. El modelo simple de núcleo radioactivo aclara el concepto de la desintegración alfa. Verificar la ley exponencial decreciente de la desintegración, con una muestra formada por un número pequeño pero suficiente de núcleos radioactivos nos sumerge de pleno en ámbitos puros de la física y la mecánica cuántica. Los applets diseñados muestran que no podemos predecir la conducta de una micropartícula en el dominio cuántico pero podemos predecir la conducta de un número grande de partículas idénticas.
La mecánica cuántica en los alimentos:
La Mecánica Cuántica de las galletas: Crean un modelo mecánico cuántico para ayudar a que los alimentos industriales tengan mejores cualidades nutritivas y organolépticas.
A veces creemos que las investigaciones que se hacen en ciencia básica son lejanas y que pocas veces tienen aplicación práctica, sobre todo cuando vienen de teorías que juzgamos exóticas, académicas o simplemente fundamentales.La Mecánica Cuántica ya nos ha demostrado su utilidad en los dispositivos electrónicos de consumo, y más que lo hará conforme la miniaturización de los componentes de los microprocesadoresy memorias se hagan cada vez más pequeños. Pero nunca pensaríamos que se podría aplicar a las galletas de nuestro desayuno.Un alimento, como pueda ser una galleta, es algo complejo y sus atributos de sabor, olor y textura dependen en última instancia de las interacciones moleculares de sus componentes a lo largo de todo su proceso de fabricación. Un grupo de investigadores liderados por Won bo Lee de UC Santa Barbara y del Centro de Investigaciones de Nestlé han investigado la física de la comida. Sus resultados pueden ayudar a la fabricación de alimentos más estables, nutritivos y más ricos en aromas y sabores.
Se han centrado en este caso en la interacción de los lípidos (grasas) con el agua, que son elementos vitales de la física de la estructura de los alimentos.Los alimentos, además de saber bien, deben de cumplir funciones nutricionales saludables específicas. Están hechos de una gran variedad de componentes como proteínas, vitaminas, carbohidratos, etc, que dificultan su optimización estructural. Se puede llegar a pensar que, inspirándose en este trabajo mecánico cuántico publicado en Physical Review Letters, se podría conseguir ensamblar todos estos componentes en una estructura optimizada estable. Aunque los aspectos nutricionales no están relacionados directamente con la estructura del alimento, si queremos que estos alimentos se liberen en el organismo de manera adecuada, la estructura de la comida es una parámetro importante.
En el trabajo de investigación los autores han creado un modelo termodinámico que describe las fases o estados observados en una disolución acuosa de lípidos. Varios factores son responsables de las fases en este tipo de sistemas, que incluye la competición entre puentes de hidrógeno, entropía de lípidos, efectos hidrofóbicos, etc.
La mecánica cuántica en la computación:
En la computación cuántica, a diferencia de la computación actual donde cada bit puede estar en un estado discreto y alternativo a la vez, la unidad fundamental de almacenamiento es el bit cuántico, donde cada bit cuántico puede tener múltiples estados simultáneamente en un instante determinado, así reduciendo el tiempo de ejecución de algunos algoritmos de miles de años a segundos.
La computación cuántica está basada en las interacciones del mundo atómico, y tiene elementos como el bit cuántico, las compuertas cuánticas, los estados confusos, la tele transportación cuántica, el paralelismo cuántico, y la criptografía cuántica. Una arquitectura cuántica, muy aceptada entre los investigadores y orientada a ser compatible con las actuales arquitecturas, cuenta con memoria y una unidad de procesamiento aritmético/lógico, y con elementos cuánticos como la tele transportadora de código y el planificador dinámico. Su avance teórico ha sido muy exitoso, aún así, su realización depende de la futura implementación de una computadora desarrollan los fundamentos y los elementos básicos que conforman la computación cuántica. También se presenta una arquitectura cuántica muy aceptada entre los investigadores que desde un principio han orientado sus investigaciones hacia lograr una arquitectura compatible con las actuales, de ahí que esta tiene muchas semejanza con las arquitecturas existentes, con elementos propios de la computación cuántica.
La comunidad científica dedicada a investigar tópicos en el ámbito de la computación cuántica, ha logrado enormes avances teóricos, al demostrar que es posible reducir drásticamente los recursos computacionales requeridos en la ejecución de algoritmos. Algunos de esos algoritmos requieren un inmenso poder de cómputo aún en las computadoras más avanzadas de la actualidad. Algunos algoritmos matemáticos como la búsqueda de los factores de números primos, algoritmos de manejo de información como la búsqueda en bases de datos no ordenadas; han sido teóricamente desarrollados con mucho éxito, utilizando los fundamentos de la computación cuántica.
La teoría de la computación cuántica esta basada en las interacciones del mundo atómico y en futuras implementaciones de las computadoras cuánticas. Estas aún están en los laboratorios de investigación pero ya se tienen resultados alentadores, como el desarrollo de la computadora cuántica de cinco qubits desarrollado por Steffen.
Hay que destacar que en 1980 surgieron los primeros conceptos de computacion cuántica, con avances que precisaron la idea en 1994, gracias al agoritmo-cuantico lógico desarrollado por Peter Shor. El siguiente paso a los ordenadores es una red que los comunique y los mientras nadie a logrado construir un ordenador cuantico, recientemente han logrado construir una puerta lógica cuántica en fibra óptica.