[ad_1]
Gdyby wrzucić wiadomość w butelce do czarnej dziury, wszystkie zawarte w niej informacje, aż do poziomu kwantowego, zostałyby całkowicie zakodowane. Ponieważ w czarnych dziurach to szyfrowanie odbywa się tak szybko i dokładnie, jak pozwala na to mechanika kwantowa. Są one powszechnie uważane za najlepsze w przyrodzie urządzenia do szyfrowania informacji.
Nowe badania przeprowadzone przez teoretyka z Uniwersytetu Rice Petera Wolynesa i współpracowników z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign wykazały jednak, że cząsteczki mogą być równie potężne w szyfrowaniu informacji kwantowej jak czarne dziury. Łącząc narzędzia matematyczne z fizyki czarnych dziur i fizyki chemicznej, wykazali, że kwantowe szyfrowanie informacji zachodzi w reakcjach chemicznych i może osiągnąć prawie taką samą granicę mechaniki kwantowej, jak w przypadku czarnych dziur. Praca została opublikowana online w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Badanie to dotyczy długotrwałego problemu w fizyce chemicznej, który ma związek z pytaniem, jak szybko informacja kwantowa ulega zakodowaniu w cząsteczkach” – powiedział Wolynes. „Kiedy ludzie myślą o reakcji, w której łączą się dwie cząsteczki, uważają, że atomy wykonują tylko jeden ruch, w którym wiązanie jest tworzone lub zrywane.
„Ale z punktu widzenia mechaniki kwantowej, nawet bardzo mała cząsteczka jest bardzo skomplikowanym systemem. Podobnie jak orbity w Układzie Słonecznym, cząsteczka ma ogromną liczbę możliwych stylów ruchu – rzeczy, które nazywamy stanami kwantowymi. Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, informacja kwantowa o stanach kwantowych reagentów zostaje zakodowana, a my chcemy wiedzieć, jak zakodowanie informacji wpływa na szybkość reakcji”.
Aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób informacje kwantowe są szyfrowane w reakcjach chemicznych, naukowcy zapożyczyli narzędzie matematyczne zwykle używane w fizyce czarnych dziur, znane jako korelatory poza czasem (OTOC).
„OTOC zostały wynalezione w zupełnie innym kontekście około 55 lat temu, kiedy zostały wykorzystane do zbadania, w jaki sposób na elektrony w nadprzewodnikach wpływają zakłócenia spowodowane zanieczyszczeniami” – powiedział Wolynes. „Są one bardzo wyspecjalizowanym obiektem wykorzystywanym w teorii nadprzewodnictwa. Następnie były używane przez fizyków w latach 90. do badania czarnych dziur i teorii strun”.
OTOC mierzą, jak bardzo modyfikacja jednej części układu kwantowego w pewnym momencie wpłynie na ruchy innych części – zapewniając wgląd w to, jak szybko i skutecznie informacje mogą rozprzestrzeniać się w cząsteczce. Są one kwantowym odpowiednikiem wykładników Lapunowa, które mierzą nieprzewidywalność w klasycznych systemach chaotycznych.
„To, jak szybko OTOC wzrasta wraz z upływem czasu, mówi o tym, jak szybko informacje są szyfrowane w systemie kwantowym, co oznacza, jak wiele losowo wyglądających stanów uzyskuje dostęp” – powiedział Martin Gruebele, chemik z Illinois Urbana-Champaign i współautor badania, który jest częścią wspólnego Centrum Rice-Illinois ds. „Chemicy są bardzo skonfliktowani w kwestii mieszania w reakcjach chemicznych, ponieważ mieszanie jest konieczne, aby osiągnąć cel reakcji, ale także psuje kontrolę nad reakcją.
„Zrozumienie, w jakich okolicznościach cząsteczki mieszają informacje, a w jakich nie, potencjalnie daje nam możliwość lepszego kontrolowania reakcji. Znajomość OTOC zasadniczo pozwala nam ustalić granice, kiedy te informacje naprawdę znikają spod naszej kontroli i odwrotnie, kiedy nadal możemy je wykorzystać, aby uzyskać kontrolowane wyniki”.
W mechanice klasycznej cząstka musi mieć wystarczającą energię, aby pokonać barierę energetyczną, aby zaszła reakcja. Jednak w mechanice kwantowej istnieje możliwość, że cząstki mogą „tunelować” przez tę barierę, nawet jeśli nie mają wystarczającej energii. Obliczenia OTOC wykazały, że reakcje chemiczne o niskiej energii aktywacji w niskich temperaturach, w których dominuje tunelowanie, mogą szyfrować informacje niemal do granicy kwantowej, jak czarna dziura.
Nancy Makri, również chemik z Illinois Urbana-Champaign, wykorzystała opracowane przez siebie metody całek po ścieżce do zbadania, co się dzieje, gdy prosty model reakcji chemicznej jest osadzony w większym systemie, którym mogą być drgania własne dużej cząsteczki lub rozpuszczalnik, i ma tendencję do tłumienia chaotycznego ruchu.
„W osobnym badaniu odkryliśmy, że duże środowiska mają tendencję do zwiększania regularności i tłumienia efektów, o których mówimy” – powiedział Makri. „Obliczyliśmy więc OTOC dla układu tunelowego oddziałującego z dużym środowiskiem i zauważyliśmy, że mieszanie zostało zahamowane – duża zmiana w zachowaniu”.
Jednym z obszarów praktycznego zastosowania wyników badań jest nałożenie ograniczeń na sposób, w jaki systemy tunelowe mogą być wykorzystywane do budowy kubitów dla komputerów kwantowych. Należy zminimalizować szyfrowanie informacji między oddziałującymi systemami tunelowymi, aby poprawić niezawodność komputerów kwantowych. Badania mogą być również istotne dla reakcji sterowanych światłem i projektowania zaawansowanych materiałów.
„Istnieje potencjał do rozszerzenia tych pomysłów na procesy, w których nie tylko tunelujesz w jednej konkretnej reakcji, ale gdzie masz wiele etapów tunelowania, ponieważ jest to zaangażowane na przykład w przewodzenie elektronów w wielu nowych miękkich materiałach kwantowych, takich jak perowskity, które są używane do produkcji ogniw słonecznych i tym podobnych rzeczy” – powiedział Gruebele.
Wolynes jest profesorem nauk ścisłych Fundacji D.R. Bullarda-Welcha w Rice, profesorem chemii, biochemii i biologii komórkowej, fizyki i astronomii oraz materiałoznawstwa i nanoinżynierii, a także współdyrektorem Centrum Teoretycznej Fizyki Biologicznej, które jest finansowane przez National Science Foundation. Współautorzy: Gruebele jest James R. Eiszner Endowed Chair in Chemistry; Makri jest Edward William and Jane Marr Gutgsell Professor i profesorem chemii i fizyki; Chenghao Zhang był absolwentem fizyki w Illinois Urbana-Champaign, a obecnie jest postdoc w Pacific Northwest National Lab; a Sohang Kundu niedawno uzyskał tytuł doktora chemii na Uniwersytecie Illinois i obecnie jest postdoc na Uniwersytecie Columbia.
Badania były wspierane przez National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) i Bullard-Welch Chair w Rice (C-0016).
[ad_2]