Fundamentos Primeiro, Tecnologia Segundo | Nanotecnologia da natureza

Em 1925, uma cidade média de tamanho médio no meio da Alemanha, chamada Göttingen, tornou -se o centro da física moderna; Trabalhando na universidade native, Werner Heisenberg, Max Born e Pascual Jordan^{1Assim,2Assim,3} desenvolveu as obras fundamentais da mecânica quântica. Na época, um novo arcabouço teórico tornou -se necessário para explicar inúmeras descobertas experimentais das décadas anteriores, como o experimento de dupla fenda, que não pôde ser explicado usando leis clássicas. Heisenberg desenvolveu um primeiro formalismo para descrever fenômenos quânticos de maneira consistente com base em parâmetros observáveis e fazendo uso de operadores não comutativos¹. Born e Jordan, juntamente com Heisenberg, depois traduziu essa estrutura para uma representação mais geral da matriz^2Assim,3. Também em 1925, o austríaco Erwin Schrödinger, na época afiliado à Universidade de Zurique, postulou uma abordagem alternativa para descrever autoconsistentemente um objeto mecânico quântico por meio de sua função de onda usando equações diferenciais parciais, o formalismo publicado em 1926⁴. Esses trabalhos lançaram as bases para a investigação teórica do mundo quântico e mais tarde se tornaram a base para o que agora é conhecido como a primeira revolução quântica-muitas tecnologias do século XX, como transistores, células solares, lasers ou junções de túnel magnético, são baseadas em fenômenos mecânicos quânticos, como como o túnel.

Crédito: Just_super/ E+/ Getty Pictures

Cem anos depois, estamos experimentando a segunda revolução quântica com um aumento de tecnologias que fazem uso explícito de duas características da pedra angular da mecânica quântica: coerência, a evolução estável e previsível de um estado quântico; e emaranhamento, a estranha interconexão de objetos quânticos que não podem ser descritos independentemente, mesmo se separados em grandes distâncias. A coerência e o emaranhamento são o principal recurso em tecnologias quânticas, como comunicação quântica, detecção quântica ou computação quântica. Essas tecnologias prometem comunicação segura, maior sensibilidade e soluções para problemas insolúveis com a computação convencional, respectivamente. O significado desta revolução é refletido pelo fato de a UNESCO ter declarado 2025 o Ano internacional de ciência quântica e tecnologia (IYQ). O IYQ está aumentando a conscientização sobre a crescente tecnologia quântica de impacto international sobre as indústrias e terá sobre as sociedades.

Alguns exemplos recentes do esforço da pesquisa elementary para aplicações do mundo actual podem ser encontrados em um Coleção Apresentando artigos de pesquisa e críticas do portfólio da natureza. O fato de que as contribuições vêm de laboratórios de pesquisa e universidades tradicionais, bem como de startups quânticas e Massive Tech, é um indicador de que a period das indústrias quânticas está se aproximando.

Em um Recurso de tecnologia Na edição atual, Edwin Cartlidge discute como a comunicação quântica pode se tornar um fator importante nas indústrias financeiras para comunicação segura e como os bancos se preparam. A longo prazo, o setor financeiro espera a computação quântica para ajudar na gestão de riscos ou na modelagem de derivativos, porque muitos problemas financeiros podem ser mapeados em uma descrição mecânica quântica. Problemas de otimização, como avaliação de risco e gerenciamento de portfólio, são difíceis de resolver computadores clássicos com o número crescente de variáveis, mas escalam favoravelmente para computadores quânticos. Ao mesmo tempo, a computação quântica coloca em risco as finanças. Um computador quântico em grande escala e tolerante a falhas, uma vez desenvolvido, também poderá descriptografar informações clássicas criptografadas. Portanto, a comunicação quântica segura, por exemplo, com base na distribuição quântica de chaves (QKD), é fortemente discutida para a transmissão de informações sensíveis. O QKD conta com o emaranhamento de pares de fótons únicos compartilhados entre um remetente e um destinatário. Essas chaves permitem criptografia e descriptografia seguras de dados transmitidos clássicos, porque a escutas pode ser detectada através da comparação do estado quântico de pares selecionados aleatoriamente de fótons emaranhados pelas duas partes. Hoje, já hoje, vários grandes jogadores em todo o mundo estão experimentando redes quânticas metropolitanas. Empresas comerciais, como a ID Quantique, oferecem soluções plug-and-play para QKD para seus clientes no setor financeiro. Embora um computador quântico capaz de resolver a criptografia de hoje possa estar a décadas de distância, existe o perigo de vigilância após a ‘colheita agora, descriptografar posteriormente’, ou seja, coletar e armazenar dados confidenciais agora com a expectativa de descriptografar e usar essas informações quando um computador quântico em escala completa estiver disponível. O recurso de tecnologia da Cartlidge fornece informações sobre como a indústria financeira é um dos primeiros adotantes da tecnologia quântica comercial.

Na nanociência, a mecânica quântica sempre teve um papel proeminente no fornecimento de uma compreensão completa das observações experimentais. Os efeitos quânticos estão naturalmente em jogo na nanoescala. E, no entanto, em muitas áreas de nanociência e nanotecnologia, eles exigem apenas um pequeno tratamento ou podem até ser ignorados em boa medida. Mais recentemente, com base no controle requintado alcançado em fabricação e manipulação em nanoescala, coerência e emaranhamento tornaram -se um recurso explícito para funções e características, tanto para pesquisas e aplicações fundamentais, conforme discutido em um Nanotecnologia da natureza Focus problema em 2021. Na vanguarda do que é nanociência coerente de quântica cunhada⁵ são esforços para desenvolver fontes de fótons únicos brilhantes e de alta fidelidade, repetidores quânticos e memória, além de processadores quânticos escaláveis baseados em CMOS.

Nanotecnologia da natureza seguirá de perto esses desenvolvimentos emocionantes.