Квантовая нанонаука

Квантовая нанонаука — это фундаментальная область исследований на стыке нанонауки и квантовой науки, которая создает понимание, позволяющее развивать нанотехнологии . Он использует квантовую механику для исследования и использования когерентных квантовых эффектов в инженерных наноструктурах. В конечном итоге это может привести к разработке новых типов наноустройств и материалов наноскопического масштаба, в которых функциональность и структура квантовых наноустройств описываются посредством квантовых явлений, таких как суперпозиция и запутанность . С ростом работ по реализации квантовых вычислений слово «квант» приобрело новое значение, описывающее эффекты в этом масштабе. Текущий квант относится к квантово-механическим явлениям суперпозиции, запутанности и квантовой когерентности, которые являются искусственными, а не естественными явлениями.

Фундаментальные понятия

Согласованность

Квантовая нанонаука исследует и использует когерентные квантовые эффекты в инженерных наноструктурах. Когерентность — это свойство квантовой системы, которое позволяет предсказать ее эволюцию во времени, если она подготовлена ​​в суперпозиции различных квантовых состояний. Это свойство важно, когда предполагается использовать систему для конкретных задач, например, для выполнения последовательности логических операций в квантовом компьютере. Квантовая когерентность хрупка и может легко потеряться, если система станет слишком большой или подвергнется неконтролируемому взаимодействию с окружающей средой. Функциональность, основанная на квантовой когерентности, обещает сделать возможными такие прорывные технологии, как квантовые вычисления , квантовая связь , квантовое моделирование и квантовое зондирование . Когерентные квантовые эффекты на наноуровне — относительно неизведанная территория. Таким образом, область квантовой нанонауки занимает особое место среди фундаментальных наук, поскольку она открывает путь к этому рубежу человеческого знания.

Квантовая когерентность лежит в основе квантовой нанонауки. Целью этой области является манипулирование и использование квантово-когерентной функциональности. Большая часть квантовой нанонауки посвящена пониманию механизмов декогеренции , чтобы сохранить и максимизировать когерентность.

Суперпозиция

Суперпозиция — это квантовое явление, при котором сущность может одновременно существовать в двух состояниях. Классическое описание — мысленный эксперимент « Кот Шредингера» . В этом мысленном эксперименте кошка может быть как живой, так и мертвой до тех пор, пока ее состояние действительно не будет наблюдаться.

Запутывание

Запутанность может связывать квантовые состояния двух или более объектов на любом расстоянии. Запутывание лежит в основе квантовой телепортации и квантовой коммуникации .

Включение участников

Компоненты, обеспечивающие возможность: материалы, инструменты, устройства и исследование квантовости, которые стремятся к квантовой когерентной функциональности, являются частью квантовой нанонауки.

Стремление к функциональности с поддержкой квантовой когерентности включает в себя перспективные области квантовых нанонаучных исследований, такие как создание материалов и инструментов, которые направлены на достижение функциональности с поддержкой когерентности. Элементы квантовости, материалы, инструменты и производство — все квантовые и/или нано. Квантовая нанонаука может включать их, пока они ищут пути к квантовой когерентной функциональности.

Приложения

Квантовая нанонаука является основой квантовых нанотехнологий, а новые квантовые нанотехнологии открывают новые возможности для исследований в области квантовой нанонауки.

• Квантовые вычисления
• Квантовая связь — это сверхбезопасная, защищенная от взлома связь с использованием запутанных состояний.
• Столько же, сколько притворщик
• Квантовое зондирование использует квантовое состояние для обнаружения другого объекта. Хрупкость когерентности можно превратить в ресурс, используя потерю когерентности квантовой системы в качестве чувствительного инструмента для исследования самой среды.

См. также

• Квантовый
• Квантовый компьютер
• Премия Кавли — награда за выдающиеся научные работы в области астрофизики , нанонауки и нейробиологии.
• Центр квантовой нанонауки

Дальнейшее чтение

• Фейнман, Ричард П. (март 1992 г.). «Внизу [хранилище данных] достаточно места». Журнал микроэлектромеханических систем . 1 (1): 60–66. дои : 10.1109/84.128057 . ISSN   1057-7157 . S2CID   40094454 .
• Бениофф, Пол (май 1980 г.). «Компьютер как физическая система: микроскопическая квантовомеханическая гамильтонова модель компьютеров, представленная машинами Тьюринга». Журнал статистической физики . 22 (5): 563–591. Бибкод : 1980JSP....22..563B . дои : 10.1007/BF01011339 . ISSN   1572-9613 . S2CID   122949592 .
• Бениофф, Пол (7 июня 1982 г.). «Квантово-механические модели машин Тьюринга, не рассеивающих энергию». Письма о физических отзывах . 48 (23): 1581–1585. Бибкод : 1982PhRvL..48.1581B . дои : 10.1103/PhysRevLett.48.1581 .
• Эйглер, Дональд ; Швейцер, Эрхард К. (5 апреля 1990 г.). «Позиционирование одиночных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа» (PDF) . Природа . 344 (6266): 524–526. Бибкод : 1990Natur.344..524E . дои : 10.1038/344524a0 . S2CID   4323687 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 января 2019 года . Проверено 25 января 2019 г.
• Милберн, Джерард Дж .; Вулли, MJ (2008). «Квантовая нанонаука». Современная физика . 49 (6): 413–433. Бибкод : 2008ConPh..49..413M . дои : 10.1080/00107510802601724 . S2CID   218544375 .
• Симан, Надриан (23 января 2003 г.). «ДНК в материальном мире» (PDF) . Природа . 421 (6921): 247–231. Бибкод : 2003Natur.421..427S . дои : 10.1038/nature01406 . ПМИД   12540916 . S2CID   4335806 . Проверено 25 января 2019 г.
• Джерард Дж. Милберн , Пол Дэвис , Машины Шрёдингера: квантовая технология, меняющая повседневную жизнь ( ISBN   0716731061 )
• Дойч Д., Физика, философия и квантовая технология , в материалах Шестой Международной конференции по квантовой коммуникации, измерениям и вычислениям, Шапиро Дж. Х. и Хирота О., ред. (Ринтон Пресс, Принстон, Нью-Джерси, 2003 г.)
• В.Е. Тарасов, Квантовые нанотехнологии, Международный журнал нанонауки. Том8. №4-5. (2009) 337–344. Архивировано 1 июля 2019 г. в Wayback Machine.

Внешние ссылки

• Отдел квантовой нанонауки - Институт нанонауки Кавли
• Группа квантовой нанонауки - Сеть нанотехнологий Австралийского исследовательского совета. Архивировано 25 февраля 2017 г. в Wayback Machine.
• Центр квантовой нанонауки
• Центр квантовой нанонауки Майка и Офелии Лазаридис
• Отдел квантовой нанонауки - Институт Питера Грюнберга, Исследовательский центр Юлиха