کاربردهای فیزیک کوانتوم

درباره‌ی پدیده‌های عجیب کوانتومی بارها و بارها گفته شده است. خیلی‌ها تلاش می‌کنند به منظور‌ جذب مخاطب بیشتر، روی جنبه‌های عجیب و باورنکردنی فیزیک کوانتوم مانور دهند. همه روزه افراد زیادی در مورد گربه‌ی شرودینگر و ابرانطباق کوانتومی، در مورد در هم تنیدگی کوانتومی، خاصیت موجی-ذره‌ای پدیده‌های در سطح کوانتومی، الگوریتم‌های محاسبات کوانتومی و دیگر بخش‌های فیزیک کوانتوم، مطالبی منتشر می‌کنند.

اما در این بین، کمتر کسی‌ست که بپرسد اصلا این پدیده‌های کوانتومی چه کاربردی در زندگی ما دارند؟

آیا هدف فیزیک کوانتوم فقط سرگرم کردن ماست که ببینیم جهان فیزیکی چه جنبه‌های عجیب و غریبی دارد یا این بخش از فیزیک که عمری بیش از صد سال دارد، واقعا در زندگی روزمره‌ی ما نقشی دارد؟

اگرچه برخی کاربردهای احتمالی فیزیک کوانتوم هنوز دور از انتظار است، اما برخی از آن‌ها هم اکنون نیز در زندگی ما نقش دارند. مثلا همین لامپ مهتابی که بر روی دیوار یا سقف خانه‌ی شما قرار دارد، براساس قوانین فیزیک کوانتوم عمل می‌کند. به این صورت که با برقراری اختلاف پتانسیل در دو سر آن لامپ، الکترون‌ها از الکترود منفی لامپ جدا می‌شوند و به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند. در این حرکت، الکترون‌ها با اتم‌های گاز درون لامپ برخورد می‌کنند و باعث می‌شود الکترون‌های این اتم‌ها برانگیخته شوند و به لایه‌های بالاتر بروند.

وقتی که این الکترون‌های برانگیخته می‌خواهند به لایه‌های پایین‌تر بازگردند، انرژی خود را به صورت فوتون نور از دست می‌دهند و گاز درون لامپ درخشان می‌شود. می‌بینیم که مکانیزم عملکرد این لامپ‌ها با فیزیک کوانتوم توجیه پذیر است‌. کاربرد دیگر و مهم‌تر فیزیک کوانتوم در همین تلفن همراه یا کامپیوتری‌ست که در حال استفاده از آن هستید‌. بسیاری از قطعات الکترونیکی مانند دیودها، ترانزیستورها و آی سی ها، از مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون و جرمانیوم ساخته شده است. اما اساس عملکرد همه‌ی این قطعات ساخته شده از نیمه رسانا، باز هم به فهم ما از فیزیک کوانتوم باز می‌گردد.

ما تنها به کمک فیزیک کوانتوم و خاصیت موجی الکترون‌هاست که می‌توانیم خواص الکتریکی نیمه رساناها را تغییر دهیم و حالت نیمه رسانا را از رسانا به نارسانا یا بالعکس تغییر دهیم. اگر ما چیزی از فیزیک کوانتوم نمی‌دانستیم، احتمالا اکنون اصلا خبری از این وسایل الکتریکی هوشمند نبود. اساسا اگر فیزیک کوانتوم نمی‌دانستیم، جی پی اس هم در کار نبود. چرا که در ماهواره‌های جی پی اس یک ساعت اتمی تعبیه شده است که اساس عملکرد آن نیز فیزیک کوانتوم است. اگر به جای ساعت اتمی از یک ساعت معمولی با خطای هرچند اندک استفاده می‌کردیم، جی‌ پی اس‌ها، محل ما را با چندین کیلومتر خطا نشان می‌دادند.

این‌ها تنها‌ گوشه‌ای از کاربردهای فیزیک کوانتوم است. کامپیوترهای کوانتومی ممکن است کاربرد مهم بعدی باشد.

پی‌نوشت: اگرچه این روزها تبلیغات زیادی درباره‌ی محاسبات کوانتومی (quantum computing) می‌بینید، کامپیوترهای کوانتومی هنوز کاربرد جدی و مهمی پیدا نکرده است. اما “ممکن است” در آینده و با پیدا شدن الگوریتم‌های جدید، کاربردهای جالب توجهی پیدا ‌کنند.

– اَبا اِباد