Las reacciones químicas pueden distorsionar la información cuántica y también los agujeros negros Noticias de arroz | Noticias y relaciones con los medios.

Si dejaras caer un mensaje dentro de una botella en un agujero negro, toda la información que contiene, hasta el nivel cuántico, quedaría completamente confusa. Debido a que esta codificación ocurre en los agujeros negros con la velocidad y precisión permitidas por la mecánica cuántica, generalmente se los considera los mejores codificadores de información de la naturaleza.

Nueva investigación del teórico de la Universidad Rice Peter Woolness Sin embargo, investigadores y colaboradores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign muestran que las partículas pueden ser tan masivas a la hora de mezclar información cuántica como los agujeros negros. Combinando herramientas matemáticas de la física de los agujeros negros y la física química, demostraron que la codificación de información cuántica se produce en reacciones químicas y puede alcanzar casi el mismo límite mecánico cuántico que en los agujeros negros. El trabajo está publicado en línea en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

«Este estudio aborda un problema de larga data en la física química, que se refiere a la cuestión de la rapidez con la que la información cuántica se mezcla en las moléculas», dijo Wollinis. “Cuando la gente piensa en una reacción en la que dos moléculas se unen, piensan en los átomos realizando un solo movimiento en el que se forma o se rompe un enlace.

«Pero desde el punto de vista de la mecánica cuántica, incluso una molécula muy pequeña es un sistema muy complejo. Al igual que ocurre con las órbitas del sistema solar, una molécula tiene un gran número de posibles modos de movimiento, cosas que llamamos estados cuánticos. Cuando Cuando ocurre una reacción química, la información cuántica sobre los estados cuánticos se transforma. Los reactivos se mezclan y queremos saber cómo la información codificada afecta la velocidad de reacción.

Para comprender mejor cómo la información cuántica se mezcla en las reacciones químicas, los científicos tomaron prestada una herramienta matemática comúnmente utilizada en la física de los agujeros negros conocida como correlaciones fuera de tiempo u OTOC.

«Los OTOC en realidad se inventaron en un contexto completamente diferente hace unos 55 años, cuando se utilizaron para observar cómo los electrones en los superconductores se ven afectados por las perturbaciones causadas por las impurezas», dijo Wollinis. “Es un objeto muy especializado utilizado en la teoría de la superconductividad y que luego fue utilizado por los físicos en los años 1990 mientras estudiaban los agujeros negros y la teoría de cuerdas.

Los OTOC miden cómo el ajuste de una parte de un sistema cuántico en un momento dado afecta los movimientos de otras partes, proporcionando información sobre la rapidez y eficacia con la que la información se propaga por toda la molécula. Es la contraparte cuantitativa de los exponentes de Lyapunov, que miden la imprevisibilidad en los sistemas caóticos clásicos.

«La rapidez con la que aumenta el OTOC a lo largo del tiempo indica la rapidez con la que se mezcla la información en el sistema cuántico, lo que significa a cuántos estados aleatorios se accede», dijo. Martín Groppelliquímico de Illinois Urbana-Champaign y coautor del estudio que forma parte de la empresa conjunta Rice-Illinois Defectos de los centros de acondicionamiento como ventajas. Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. “Los químicos están muy en conflicto con la confusión en las reacciones químicas, porque la confusión es necesaria para alcanzar el objetivo de la reacción, pero también subvierte el control de la reacción.

«Comprender las condiciones bajo las cuales las moléculas codifican información, y las condiciones bajo las cuales es poco probable que lo hagan, nos da la capacidad de controlar mejor las interacciones. Conocer los OTOC esencialmente nos permite establecer límites sobre cuándo esta información realmente desaparece más allá de nuestro control, y por el contrario, es decir, cuando todavía podemos aprovecharlo para obtener resultados controlados.

En la mecánica clásica, una partícula debe tener suficiente energía para superar la barrera energética para que se produzca la reacción. Sin embargo, en la mecánica cuántica existe la posibilidad de que las partículas puedan «hacer un túnel» a través de esta barrera incluso si no tienen suficiente energía. El cálculo de los OTOC demostró que las reacciones químicas con baja energía de activación a bajas temperaturas donde dominan los túneles pueden codificar información casi hasta el límite cuántico, como un agujero negro.

Nancy Macritambién química de Illinois Urbana-Champaign, utilizó métodos de integración de trayectorias que desarrolló para estudiar lo que sucede cuando un modelo de reacción química simple está integrado en un sistema más grande, que podrían ser las vibraciones de una molécula o solvente grande, y tiende a suprimir el caos. movimiento.

«En otro estudio, descubrimos que los entornos más grandes tienden a hacer las cosas más irregulares y a suprimir los efectos de los que estamos hablando», dijo Macri. «Así que calculamos el OTOC de un sistema de túneles que interactúa con un entorno grande, y lo que vimos fue que se suprimieron los empujones, un cambio significativo en el comportamiento».

Un área de aplicación práctica de los resultados de la investigación es establecer límites sobre cómo se pueden utilizar los sistemas de túneles para construir qubits para computadoras cuánticas. Es necesario reducir la mezcla de información entre sistemas de túneles que interactúan para mejorar la confiabilidad de las computadoras cuánticas. La investigación también podría ser relevante para las reacciones dependientes de la luz y el diseño de materiales avanzados.

“Existe la posibilidad de extender estas ideas a procesos en los que no solo se realizarán túneles en una reacción determinada, sino que habrá múltiples pasos de túneles, porque eso es lo que implica, por ejemplo, la conducción de electrones en muchos nuevos materiales blandos. «, dijo Groppeli. «Los materiales cuánticos como las perovskitas se utilizan para fabricar células solares y cosas así».

Wolinis es profesor de ciencias de la Fundación Dr. Pollard Welsh en Rice, profesor de química, bioquímica, biología celular, física, astronomía, ciencia de materiales y nanoingeniería y codirector de su instituto. Centro de Biofísica Teórica, que está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. Coautores Gruebele es catedrático de química James R. Eiszner. Macri es profesor Edward William y Jane Marr Gutgessel y profesor de química y física. Qinghao Zhang Fue estudiante de posgrado en física en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y ahora es estudiante postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico; Y Sohang Kondo Recientemente obtuvo su Ph.D. Recibió su doctorado en Química de la Universidad de Illinois y actualmente es estudiante postdoctoral en la Universidad de Columbia.

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (1548562, 2019745, 1955302) y la Cátedra Pollard Welch en Rice (C-0016).

Documento de revisión por pares: «Mezcla de información cuántica y reacciones químicas» | Actas de la Academia Nacional de Ciencias | doi: 10.1073/pnas.2321668121

Autores: Qinghao Zhang, Suhang Kundu, Nancy Macri, Martin Groppeli, Peter Wolinis

https://doi.org/10.1073/pnas.2321668121

Descargas de imágenes:

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PIE DE LEYENDA: Peter Wollens, teórico de la Universidad Rice, y sus colaboradores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han demostrado que las partículas pueden ser tan masivas a la hora de mezclar información cuántica como los agujeros negros. (Imagen cortesía de Martin Gruebele; se utilizó DeepAI para producir imágenes)

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Pie de foto: Peter Wolinis (desde la izquierda), Nancy Macri y Martin Groebel (foto de Wolinis de Gustavo Raskowski/Universidad de Rice; foto de Macri cortesía de Nancy Macri; foto de Groebel de Fred Zwicky/Universidad de Illinois Urbana-Champaign)

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Leyenda: Qinghao Zhang (izquierda) y Suhang Kondo (Foto de Zhang por Bill Wiegand/Universidad de Illinois Urbana-Champaign; foto de Kondo proporcionada por Suhang Kondo)

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Enlaces:

Centro de ajuste de defectos por características: https://nsfcaff.org/
Laboratorio Groppeli: https://gruebele-group.chemistry.illinois.edu/
Colaboración para la Investigación en Biociencias: https://brc.rice.edu/
Centro de Biofísica Teórica: https://ctbp.rice.edu/
Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular: https://chbe.rice.edu/
Departamento de quimica: https://química.rice.edu/
Departamento de Física y Astronomía: https://física.rice.edu/
universidad george r. Ingeniería Marrón: https://ingeniería.rice.edu
Instituto Ken Kennedy: https://kenkennedy.rice.edu/
Facultad Weiss de Ciencias Naturales: https://naturalsciences.rice.edu
Laboratorio de Investigación de Lanas: https://wolynes.rice.edu/
Grupo Macri: http://makri.scs.illinois.edu/
Departamento de Química, Universidad de Illinois: https://química.illinois.edu/