Kemiske reaktioner kan forvrænge kvanteinformation såvel som sorte huller

Hvis du skulle smide en besked i en flaske ind i et sort hul, ville al informationen i den, ned til kvanteniveauet, blive fuldstændig forvrænget. For i sorte huller sker denne scrambling så hurtigt og grundigt, som kvantemekanikken tillader. De anses generelt for at være naturens ultimative informationsscramblere.

Ny forskning fra Rice University-teoretikeren Peter Wolynes og samarbejdspartnere ved University of Illinois Urbana-Champaign har dog vist, at molekyler kan være lige så formidable til at forvrænge kvanteinformation som sorte huller.

Ved at kombinere matematiske værktøjer fra sorte huls fysik og kemisk fysik har de vist, at kvanteinformation forvrængning finder sted i kemiske reaktioner og næsten kan nå den samme kvantemekaniske grænse, som den gør i sorte huller. Værket er offentliggjort online i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Denne undersøgelse adresserer et langvarigt problem i kemisk fysik, som har at gøre med spørgsmålet om, hvor hurtigt kvanteinformation bliver forvrænget i molekyler," sagde Wolynes. "Når folk tænker på en reaktion, hvor to molekyler kommer sammen, tror de, at atomerne kun udfører en enkelt bevægelse, hvor der dannes en binding eller en binding brydes.

"Men fra et kvantemekanisk synspunkt er selv et meget lille molekyle et meget kompliceret system. Ligesom banerne i solsystemet, har et molekyle et stort antal mulige bevægelsesstile ⎯ ting, vi kalder kvantetilstande. Når en kemisk reaktion finder sted, kvanteinformation om reaktanternes kvantetilstande bliver forvrænget, og vi vil gerne vide, hvordan informationsforvrængning påvirker reaktionshastigheden."

For bedre at forstå, hvordan kvanteinformation forvanskes i kemiske reaktioner, lånte forskerne et matematisk værktøj, der typisk bruges i sorte huls fysik, kendt som out-of-time-order korrelatorer eller OTOC'er.

"OTOC'er blev faktisk opfundet i en meget anden sammenhæng for omkring 55 år siden, da de blev brugt til at se på, hvordan elektroner i superledere påvirkes af forstyrrelser fra en urenhed," sagde Wolynes. "De er et meget specialiseret objekt, der bruges i teorien om superledning. De blev derefter brugt af fysikere i 1990'erne, hvor de studerede sorte huller og strengteori."

OTOC'er måler, hvor meget justering af en del af et kvantesystem på et eller andet tidspunkt vil påvirke de andre deles bevægelser ⎯ giver indsigt i, hvor hurtigt og effektivt information kan spredes gennem hele molekylet. De er kvanteanalogen af ​​Lyapunov-eksponenter, som måler uforudsigelighed i klassiske kaotiske systemer.

"Hvor hurtigt en OTOC stiger med tiden, fortæller dig, hvor hurtigt information bliver forvrænget i kvantesystemet, hvilket betyder, hvor mange flere tilfældigt udseende stater der bliver tilgået," sagde Martin Gruebele, kemiker ved Illinois Urbana-Champaign og medforfatter på undersøgelse. "Kemikere er meget uenige om scrambling i kemiske reaktioner, fordi scrambling er nødvendigt for at nå reaktionsmålet, men det ødelægger også din kontrol over reaktionen.

"Forståelse af, under hvilke omstændigheder molekyler forvrider information, og under hvilke omstændigheder de potentielt ikke giver os et håndtag på faktisk at være i stand til at kontrollere reaktionerne bedre. At kende OTOC'er giver os grundlæggende mulighed for at sætte grænser for, hvornår denne information virkelig forsvinder ude af vores kontrol. og omvendt når vi stadig kunne udnytte det til at få kontrollerede resultater."

I klassisk mekanik skal en partikel have nok energi til at overvinde en energibarriere for at en reaktion kan opstå. Men i kvantemekanikken er der mulighed for, at partikler kan "tunnelere" gennem denne barriere, selvom de ikke har tilstrækkelig energi. Beregningen af ​​OTOC'er viste, at kemiske reaktioner med lav aktiveringsenergi ved lave temperaturer, hvor tunnelering dominerer, kan forvrenge information ved næsten kvantegrænsen, som et sort hul.

Nancy Makri, også kemiker ved Illinois Urbana-Champaign, brugte sti-integrale metoder, hun har udviklet til at studere, hvad der sker, når den simple kemiske reaktionsmodel er indlejret i et større system, som kunne være et stort molekyles egne vibrationer eller et opløsningsmiddel, og har tendens til at undertrykke kaotisk bevægelse.

"I en separat undersøgelse fandt vi ud af, at store miljøer har en tendens til at gøre tingene mere regelmæssige og undertrykke de effekter, vi taler om," sagde Makri. "Så vi beregnede OTOC for et tunnelingssystem, der interagerer med et stort miljø, og det, vi så, var, at scramblingen blev slukket ⎯ en stor ændring i adfærden."

Et praktisk anvendelsesområde for forskningsresultaterne er at sætte grænser for, hvordan tunnelsystemer kan bruges til at bygge qubits til kvantecomputere. Man er nødt til at minimere informationskryptering mellem interagerende tunnelsystemer for at forbedre pålideligheden af ​​kvantecomputere. Forskningen kan også være relevant for lysdrevne reaktioner og avanceret materialedesign.

"Der er potentiale for at udvide disse ideer til processer, hvor du ikke bare ville tunnelere i en bestemt reaktion, men hvor du ville have flere tunneleringstrin, fordi det er det, der er involveret i for eksempel elektronledning i mange af de nye bløde kvantematerialer som perovskiter, der bliver brugt til at lave solceller og sådan noget," sagde Gruebele.

Flere oplysninger: Chenghao Zhang et al., Quantum information scrambling og kemiske reaktioner, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2321668121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Rice University