Una nuova ricerca del teorico della Rice University Peter Wolynes e dei suoi collaboratori dell'Università Urbana-Champaign dell'Illinois, tuttavia, ha dimostrato che le molecole possono essere formidabili nel rimescolare le informazioni quantistiche quanto i buchi neri.

Combinando strumenti matematici della fisica dei buchi neri e della fisica chimica, hanno dimostrato che la codificazione delle informazioni quantistiche avviene nelle reazioni chimiche e può quasi raggiungere lo stesso limite quantomeccanico che avviene nei buchi neri. Il lavoro è pubblicato online negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Questo studio affronta un problema di vecchia data della fisica chimica, che ha a che fare con la velocità con cui le informazioni quantistiche vengono mescolate nelle molecole", ha detto Wolynes. "Quando le persone pensano a una reazione in cui due molecole si uniscono, pensano che gli atomi eseguano un solo movimento in cui si forma o si rompe un legame.

"Ma dal punto di vista della meccanica quantistica, anche una molecola molto piccola è un sistema molto complicato. Proprio come le orbite nel sistema solare, una molecola ha un numero enorme di possibili stili di movimento - cose che chiamiamo stati quantistici. Quando un avviene una reazione chimica, le informazioni quantistiche sugli stati quantistici dei reagenti vengono codificate e vogliamo sapere in che modo la codifica delle informazioni influisce sulla velocità di reazione."

Per comprendere meglio come le informazioni quantistiche vengono codificate nelle reazioni chimiche, gli scienziati hanno preso in prestito uno strumento matematico tipicamente utilizzato nella fisica dei buchi neri, noto come correlatori fuori ordine temporale o OTOC.

"Gli OTOC sono stati in realtà inventati in un contesto molto diverso circa 55 anni fa, quando venivano usati per osservare come gli elettroni nei superconduttori sono influenzati dai disturbi causati da un'impurità", ha detto Wolynes. "Sono oggetti molto specializzati utilizzati nella teoria della superconduttività. Successivamente furono utilizzati dai fisici negli anni '90 studiando i buchi neri e la teoria delle stringhe."

Gli OTOC misurano quanto la modifica di una parte di un sistema quantistico in un determinato istante nel tempo influenzerà i movimenti delle altre parti, fornendo informazioni su quanto velocemente ed efficacemente le informazioni possono diffondersi in tutta la molecola. Sono l'analogo quantistico degli esponenti di Lyapunov, che misurano l'imprevedibilità nei sistemi caotici classici.

"La velocità con cui un OTOC aumenta nel tempo indica quanto velocemente le informazioni vengono codificate nel sistema quantistico, il che significa a quanti altri stati dall'aspetto casuale si accede", ha affermato Martin Gruebele, chimico dell'Illinois Urbana-Champaign e coautore dello studio. studio. "I chimici sono molto contrastanti riguardo alla rimescolatura nelle reazioni chimiche, perché la rimescolatura è necessaria per raggiungere l'obiettivo della reazione, ma compromette anche il controllo sulla reazione.

"Capire in quali circostanze le molecole confondono le informazioni e in quali circostanze non ci danno potenzialmente la possibilità di controllare meglio le reazioni. Conoscere gli OTOC ci consente fondamentalmente di stabilire dei limiti su quando queste informazioni stanno davvero scomparendo dal nostro controllo e viceversa quando potevamo ancora sfruttarlo per ottenere risultati controllati."

Nella meccanica classica, una particella deve avere energia sufficiente per superare una barriera energetica affinché avvenga una reazione. Tuttavia, nella meccanica quantistica, esiste la possibilità che le particelle possano "incanalarsi" attraverso questa barriera anche se non possiedono energia sufficiente. Il calcolo degli OTOC ha mostrato che le reazioni chimiche con una bassa energia di attivazione a basse temperature dove domina il tunneling possono confondere le informazioni quasi al limite quantico, come un buco nero.

Nancy Makri, anche lei chimica all'Illinois Urbana-Champaign, ha utilizzato metodi di percorso integrale da lei sviluppati per studiare cosa succede quando il semplice modello di reazione chimica è incorporato in un sistema più ampio, che potrebbe essere costituito dalle vibrazioni proprie di una grande molecola o da un solvente, e tende per sopprimere il movimento caotico.

"In uno studio separato, abbiamo scoperto che gli ambienti di grandi dimensioni tendono a rendere le cose più regolari e a sopprimere gli effetti di cui stiamo parlando", ha detto Makri. "Così abbiamo calcolato l'OTOC per un sistema di tunneling che interagiva con un ambiente di grandi dimensioni, e quello che abbiamo visto è stato che il rimescolamento si era attenuato ⎯ un grande cambiamento nel comportamento."

Un’area di applicazione pratica dei risultati della ricerca è quella di porre limiti al modo in cui i sistemi di tunneling possono essere utilizzati per costruire qubit per computer quantistici. È necessario ridurre al minimo la codifica delle informazioni tra i sistemi di tunneling interagenti per migliorare l’affidabilità dei computer quantistici. La ricerca potrebbe essere rilevante anche per le reazioni guidate dalla luce e la progettazione di materiali avanzati.

"C'è la possibilità di estendere queste idee a processi in cui non ci si limiterebbe al tunneling in una particolare reazione, ma in cui si avrebbero più passaggi di tunneling, perché questo è ciò che è coinvolto, ad esempio, nella conduzione degli elettroni in molti dei nuovi processi morbidi." materiali quantistici come le perovskiti che vengono utilizzate per produrre celle solari e cose del genere," ha detto Gruebele.