|
Химические реакции искажают квантовую информацию
|
|
|
|
Если бы вы бросили сообщение в бутылке в черную дыру, вся информация, содержащаяся в ней, вплоть до квантового уровня, была бы полностью искажена. Потому что в черных дырах это скремблирование происходит настолько быстро и тщательно, насколько позволяет квантовая механика. Их обычно считают лучшими в природе скремблерами информации. Однако новое исследование теоретика из Университета Райса Питера Уолайнса и его коллег из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне показало, что молекулы могут быть столь же эффективны в шифровании квантовой информации, как и черные дыры. Объединив математические инструменты из физики черных дыр и химической физики, они показали, что квантовое скремблирование информации имеет место в химических реакциях и может достигать почти того же квантово-механического предела, что и в черных дырах. Работа опубликована в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
|
|
|
|
"Это исследование посвящено давней проблеме в химической физике, которая связана с вопросом о том, как быстро квантовая информация скремблируется в молекулах", - сказал Волинес. "Когда люди думают о реакции, в которой две молекулы соединяются, они думают, что атомы совершают только одно движение, при котором образуется связь или разрывается связь. "Но с точки зрения квантовой механики, даже очень маленькая молекула представляет собой очень сложную систему. Подобно орбитам в Солнечной системе, молекула имеет огромное количество возможных вариантов движения - то, что мы называем квантовыми состояниями. Когда происходит химическая реакция, квантовая информация о квантовых состояниях реагентов скремблируется, и мы хотим знать, как скремблирование информации влияет на скорость реакции". Чтобы лучше понять, как квантовая информация скремблируется в химических реакциях, ученые позаимствовали математический инструмент, обычно используемый в физике черных дыр, известный как корреляторы вневременного порядка, или OTOCs.
|
|
|
"На самом деле OTOCs были изобретены в совершенно ином контексте около 55 лет назад, когда они использовались для изучения того, как на электроны в сверхпроводниках влияют возмущения от примесей", - сказал Уолинес. "Это очень специализированный объект, который используется в теории сверхпроводимости. В следующий раз они были использованы физиками в 1990-х годах при изучении черных дыр и теории струн". OTOCs измеряют, насколько сильно изменение одной части квантовой системы в определенный момент времени повлияет на движение других частей, что позволяет понять, насколько быстро и эффективно информация может распространяться по всей молекуле. Они являются квантовым аналогом показателей Ляпунова, которые измеряют непредсказуемость в классических хаотических системах. "То, как быстро увеличивается OTOC со временем, говорит о том, как быстро информация шифруется в квантовой системе, а это означает, что становится доступным еще больше случайных состояний", - сказал Мартин Грюбеле, химик из Иллинойского университета Урбана-Шампейн и соавтор исследования. "Химики очень противоречиво относятся к скремблированию в химических реакциях, потому что скремблирование необходимо для достижения цели реакции, но оно также мешает вам контролировать реакцию.
|
|
|
|
"Понимание того, при каких обстоятельствах молекулы скремблируют информацию, а при каких - нет, потенциально дает нам возможность лучше контролировать реакции. Знание OTOCs, по сути, позволяет нам устанавливать ограничения на то, когда эта информация действительно выходит из-под нашего контроля, и наоборот, когда мы все еще можем использовать ее для получения контролируемых результатов". В классической механике частица должна обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер, чтобы произошла реакция. Однако в квантовой механике существует вероятность того, что частицы могут "туннелировать" через этот барьер, даже если они не обладают достаточной энергией. Расчет OTOCs показал, что химические реакции с низкой энергией активации при низких температурах, где преобладает туннелирование, могут искажать информацию почти на квантовом пределе, подобно черной дыре. Нэнси Макри, также химик из Иллинойского университета Урбана-Шампейн, использовала разработанные ею методы интегрального анализа траекторий для изучения того, что происходит, когда простая модель химической реакции встроена в более крупную систему, которая может представлять собой собственные колебания крупной молекулы или растворителя, и стремится подавить хаотическое движение.
|
|
|
|
"В ходе отдельного исследования мы обнаружили, что большая окружающая среда, как правило, делает все более упорядоченным и подавляет эффекты, о которых мы говорим", - сказала Макри. "Итак, мы рассчитали OTO для туннельной системы, взаимодействующей с большой средой, и увидели, что скремблирование было подавлено - это серьезное изменение в поведении". Одной из областей практического применения результатов исследования является установление ограничений на использование туннельных систем для создания кубитов для квантовых компьютеров. Для повышения надежности квантовых компьютеров необходимо свести к минимуму обмен информацией между взаимодействующими туннельными системами. Это исследование также может иметь отношение к реакциям, управляемым светом, и разработке передовых материалов. "Есть потенциал для распространения этих идей на процессы, в которых туннелирование происходит не только в рамках одной конкретной реакции, но и на нескольких этапах туннелирования, потому что именно это участвует, например, в электронной проводимости многих новых мягких квантовых материалов, таких как перовскиты, которые используются для делают солнечные батареи и тому подобное", - сказал Грюбеле.
|
|
|
|
Источник
|
