Om du skulle kasta ett meddelande i en flaska i ett svart hål, skulle all information i det, ner till kvantnivån, bli fullständigt förvrängd. För i svarta hål sker denna förvrängning så snabbt och grundligt som kvantmekaniken tillåter. De anses allmänt vara naturens ultimata informationsförvrängare.
Ny forskning från Rice University-teoretikern Peter Wolynes och medarbetare vid University of Illinois Urbana-Champaign har dock visat att molekyler kan vara lika formidable på att förvränga kvantinformation som svarta hål.
Genom att kombinera matematiska verktyg från svarta håls fysik och kemisk fysik har de visat att kvantinformation förvrängning sker i kemiska reaktioner och kan nästan nå samma kvantmekaniska gräns som den gör i svarta hål. Verket publiceras online i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Denna studie tar upp ett långvarigt problem inom kemisk fysik, som har att göra med frågan om hur snabbt kvantinformation blir förvrängd i molekyler," sa Wolynes. "När människor tänker på en reaktion där två molekyler möts, tror de att atomerna bara utför en enda rörelse där en bindning skapas eller en bindning bryts.
"Men ur kvantmekanisk synvinkel är även en mycket liten molekyl ett mycket komplicerat system. Ungefär som banorna i solsystemet har en molekyl ett stort antal möjliga rörelsestilar ⎯ saker vi kallar kvanttillstånd. När en kemisk reaktion äger rum, kvantinformation om reaktanternas kvanttillstånd förvrängs, och vi vill veta hur informationsförvrängning påverkar reaktionshastigheten."
För att bättre förstå hur kvantinformation förvrängs i kemiska reaktioner, lånade forskarna ett matematiskt verktyg som vanligtvis används i svarta håls fysik, känt som out-of-time-order korrelatorer, eller OTOCs.
"OTOCs uppfanns faktiskt i ett helt annat sammanhang för cirka 55 år sedan, när de användes för att titta på hur elektroner i supraledare påverkas av störningar från en förorening," sa Wolynes. "De är ett mycket specialiserat föremål som används i teorin om supraledning. De användes sedan av fysiker på 1990-talet som studerade svarta hål och strängteori."
OTOCs mäter hur mycket justering av en del av ett kvantsystem vid något ögonblick i tid kommer att påverka de andra delarnas rörelser ⎯ ger insikt om hur snabbt och effektivt information kan spridas genom hela molekylen. De är kvantanalogen av Lyapunov-exponenter, som mäter oförutsägbarhet i klassiska kaotiska system.
"Hur snabbt en OTOC ökar med tiden berättar hur snabbt informationen krypteras i kvantsystemet, vilket betyder hur många fler slumpmässiga tillstånd som kommer åt", säger Martin Gruebele, kemist vid Illinois Urbana-Champaign och medförfattare på studie. "Kemister är mycket motstridiga om förvrängning i kemiska reaktioner, eftersom förvrängning är nödvändig för att nå reaktionsmålet, men det förstör också din kontroll över reaktionen.
"Att förstå under vilka omständigheter molekyler förvränger information och under vilka omständigheter de inte potentiellt ger oss ett grepp om att faktiskt kunna kontrollera reaktionerna bättre. Genom att känna till OTOCs kan vi i princip sätta gränser för när denna information verkligen försvinner utom vår kontroll. och omvänt när vi fortfarande kunde utnyttja det för att få kontrollerade resultat."
I klassisk mekanik måste en partikel ha tillräckligt med energi för att övervinna en energibarriär för att en reaktion ska inträffa. Men inom kvantmekaniken finns det möjlighet att partiklar kan "tunnel" genom denna barriär även om de inte har tillräcklig energi. Beräkningen av OTOC visade att kemiska reaktioner med låg aktiveringsenergi vid låga temperaturer där tunnling dominerar kan förvränga information vid nästan kvantgränsen, som ett svart hål.
Nancy Makri, också kemist vid Illinois Urbana-Champaign, använde vägintegralmetoder som hon har utvecklat för att studera vad som händer när den enkla kemiska reaktionsmodellen är inbäddad i ett större system, som kan vara en stor molekyls egna vibrationer eller ett lösningsmedel, och tenderar att för att undertrycka kaotiska rörelser.
"I en separat studie fann vi att stora miljöer tenderar att göra saker mer regelbundna och undertrycka effekterna som vi pratar om," sa Makri. "Så vi beräknade OTOC för ett tunnelsystem som interagerar med en stor miljö, och vad vi såg var att förvrängningen släcktes ⎯ en stor förändring i beteendet."
Ett praktiskt tillämpningsområde för forskningsresultaten är att sätta gränser för hur tunnelsystem kan användas för att bygga qubits för kvantdatorer. Man måste minimera informationsförvrängning mellan interagerande tunnelsystem för att förbättra tillförlitligheten hos kvantdatorer. Forskningen kan också vara relevant för ljusdrivna reaktioner och avancerad materialdesign.
"Det finns potential att utvidga dessa idéer till processer där du inte bara skulle tunnla i en viss reaktion, utan där du skulle ha flera tunnlingssteg, eftersom det är vad som är involverat i till exempel elektronledning i många av de nya mjuka kvantmaterial som perovskiter som används för att tillverka solceller och sånt, säger Gruebele.
Mer information: Chenghao Zhang et al, Quantum information scrambling and chemical reactions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2321668121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Rice University
