Wetenschap
Chemische reacties kunnen zowel kwantuminformatie als zwarte gaten door elkaar gooien
Nieuw onderzoek van Rice University-theoreticus Peter Wolynes en medewerkers van de University of Illinois Urbana-Champaign heeft echter aangetoond dat moleculen net zo formidabel kunnen zijn in het versleutelen van kwantuminformatie als zwarte gaten.
Door wiskundige hulpmiddelen uit de fysica van zwarte gaten en de chemische fysica te combineren, hebben ze aangetoond dat het versleutelen van kwantuminformatie plaatsvindt bij chemische reacties en bijna dezelfde kwantummechanische limiet kan bereiken als bij zwarte gaten. Het werk is online gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Deze studie richt zich op een al lang bestaand probleem in de chemische fysica, dat te maken heeft met de vraag hoe snel kwantuminformatie in moleculen wordt vervormd", aldus Wolynes. "Als mensen denken aan een reactie waarbij twee moleculen samenkomen, denken ze dat de atomen slechts één beweging uitvoeren waarbij een binding wordt gemaakt of verbroken.
‘Maar vanuit kwantummechanisch oogpunt is zelfs een heel klein molecuul een heel ingewikkeld systeem. Net als de banen in het zonnestelsel heeft een molecuul een groot aantal mogelijke bewegingsstijlen ⎯ dingen die we kwantumtoestanden noemen. Er vindt een chemische reactie plaats, kwantuminformatie over de kwantumtoestanden van de reactanten raakt vervormd, en we willen weten hoe het versleutelen van informatie de reactiesnelheid beïnvloedt."
Om beter te begrijpen hoe kwantuminformatie wordt vervormd in chemische reacties, hebben de wetenschappers een wiskundig hulpmiddel geleend dat doorgaans wordt gebruikt in de fysica van zwarte gaten, bekend als out-of-time-order correlatoren, oftewel OTOC's.
"OTOC's werden ongeveer 55 jaar geleden in een heel andere context uitgevonden, toen ze werden gebruikt om te kijken hoe elektronen in supergeleiders worden beïnvloed door verstoringen door een onzuiverheid", zei Wolynes. "Ze zijn een zeer gespecialiseerd object dat wordt gebruikt in de theorie van supergeleiding. Ze werden vervolgens in de jaren negentig gebruikt door natuurkundigen die zwarte gaten en de snaartheorie bestudeerden."
OTOC's meten hoeveel aanpassingen aan een deel van een kwantumsysteem op een bepaald moment de bewegingen van de andere delen zullen beïnvloeden, waardoor inzicht wordt verkregen in hoe snel en effectief informatie zich door het molecuul kan verspreiden. Ze zijn het kwantumanaloog van Lyapunov-exponenten, die de onvoorspelbaarheid in klassieke chaotische systemen meten.
"Hoe snel een OTOC in de loop van de tijd toeneemt, vertelt je hoe snel informatie in het kwantumsysteem wordt vervormd, wat betekent dat er nog veel meer willekeurig uitziende toestanden worden benaderd", zegt Martin Gruebele, een scheikundige bij Illinois Urbana-Champaign en co-auteur van de studie. studie. "Chemici zijn zeer verdeeld over het door elkaar gooien van chemische reacties, omdat het door elkaar gooien noodzakelijk is om het reactiedoel te bereiken, maar het ook je controle over de reactie in de war brengt.
"Inzicht in onder welke omstandigheden moleculen informatie door elkaar gooien en onder welke omstandigheden ze mogelijk geen grip krijgen op het daadwerkelijk kunnen beheersen van de reacties. Het kennen van OTOC's stelt ons in feite in staat om grenzen te stellen aan wanneer deze informatie echt buiten onze controle verdwijnt en omgekeerd, wanneer we het nog steeds zouden kunnen gebruiken om gecontroleerde resultaten te bereiken."
In de klassieke mechanica moet een deeltje voldoende energie hebben om een energiebarrière te overwinnen voordat er een reactie kan plaatsvinden. In de kwantummechanica bestaat echter de mogelijkheid dat deeltjes door deze barrière kunnen ‘tunnelen’, zelfs als ze niet over voldoende energie beschikken. De berekening van OTOC's toonde aan dat chemische reacties met een lage activeringsenergie bij lage temperaturen, waar tunneling domineert, informatie kunnen vervormen tot bijna de kwantumlimiet, zoals een zwart gat.
Nancy Makri, ook een scheikundige bij Illinois Urbana-Champaign, gebruikte padintegrale methoden die zij heeft ontwikkeld om te bestuderen wat er gebeurt als het eenvoudige chemische reactiemodel wordt ingebed in een groter systeem, dat de trillingen van een groot molecuul zelf of een oplosmiddel zou kunnen zijn. om chaotische bewegingen te onderdrukken.
"In een afzonderlijk onderzoek hebben we ontdekt dat grote omgevingen de neiging hebben om de zaken regelmatiger te maken en de effecten waar we het over hebben te onderdrukken," zei Makri. "Dus berekenden we de OTOC voor een tunnelsysteem dat interageert met een grote omgeving, en wat we zagen was dat het klauteren werd uitgedoofd ⎯ een grote verandering in het gedrag."
Een gebied van praktische toepassing voor de onderzoeksresultaten is het stellen van grenzen aan de manier waarop tunnelsystemen kunnen worden gebruikt om qubits voor kwantumcomputers te bouwen. Om de betrouwbaarheid van kwantumcomputers te verbeteren, moet het door elkaar gooien van informatie tussen op elkaar inwerkende tunnelsystemen worden geminimaliseerd. Het onderzoek zou ook relevant kunnen zijn voor lichtgestuurde reacties en geavanceerd materiaalontwerp.
"Er is potentieel om deze ideeën uit te breiden naar processen waarbij je niet alleen maar in één bepaalde reactie zou tunnelen, maar waar je meerdere tunnelingstappen zou hebben, want dat is wat bijvoorbeeld betrokken is bij elektronengeleiding in veel van de nieuwe zachte reacties." kwantummaterialen zoals perovskieten die worden gebruikt om zonnecellen te maken en dergelijke”, aldus Gruebele.