2024-04-05 14:14:00
Si vous jetiez un message dans une bouteille dans un trou noir, toutes les informations qu’il contient, jusqu’au niveau quantique, seraient complètement brouillées. Parce que dans les trous noirs, ce brouillage se produit aussi rapidement et complètement que la mécanique quantique le permet, ils sont généralement considérés comme les ultimes brouilleurs d’informations de la nature.
Le théoricien de l’Université Rice, Peter Wolynes, et ses collaborateurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les molécules peuvent être aussi redoutables pour brouiller l’information quantique que les trous noirs. (Image fournie par Martin Gruebele ; DeepAI a été utilisé dans la production d’images)
De nouvelles recherches menées par Peter Wolynes, théoricien de l’Université Rice, et ses collaborateurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, montrent cependant que les molécules peuvent être aussi redoutables pour brouiller l’information quantique que les trous noirs. En combinant des outils mathématiques issus de la physique des trous noirs et de la physique chimique, ils ont montré que le brouillage de l’information quantique se produit dans les réactions chimiques et peut presque atteindre la même limite mécanique quantique que dans les trous noirs. Le travail est publié en ligne dans les Actes de la National Academy of Sciences.
«Cette étude aborde un problème de longue date en physique chimique, lié à la vitesse à laquelle les informations quantiques sont brouillées dans les molécules», a déclaré Wolynes. «Quand les gens pensent à une réaction où deux molécules se rencontrent, ils pensent que les atomes n’effectuent qu’un seul mouvement au cours duquel une liaison est établie ou une liaison est rompue.
«Mais du point de vue de la mécanique quantique, même une très petite molécule est un système très complexe. Tout comme les orbites du système solaire, une molécule a un grand nombre de styles de mouvement possibles – des choses que nous appelons des états quantiques. Quand un Une réaction chimique a lieu, les informations quantiques sur les états quantiques des réactifs sont brouillées et nous voulons savoir comment le brouillage des informations affecte la vitesse de réaction.
Pour mieux comprendre comment les informations quantiques sont brouillées dans les réactions chimiques, les scientifiques ont emprunté un outil mathématique généralement utilisé en physique des trous noirs, appelé corrélateurs d’ordre hors temps, ou OTOC.
«Les OTOC ont en fait été inventés dans un contexte très différent il y a environ 55 ans, lorsqu’ils étaient utilisés pour étudier comment les électrons des supraconducteurs sont affectés par les perturbations dues à une impureté», a déclaré Wolynes. «Il s’agit d’un objet très spécialisé utilisé dans la théorie de la supraconductivité. Ils ont ensuite été utilisés par des physiciens dans les années 1990 pour étudier les trous noirs et la théorie des cordes.»
Chenghao Zhang (à gauche) et Sohang Kundu (Photo de Zhang par Bill Wiegand/Université de l’Illinois Urbana-Champaign ; photo de Kundu avec l’aimable autorisation de Sohang Kundu)
Les OTOC mesurent dans quelle mesure la modification d’une partie d’un système quantique à un moment donné affectera les mouvements des autres parties, ce qui donne un aperçu de la rapidité et de l’efficacité avec laquelle les informations peuvent se propager dans la molécule. Ils sont l’analogue quantique des exposants de Lyapunov, qui mesurent l’imprévisibilité des systèmes chaotiques classiques.
«La rapidité avec laquelle un OTOC augmente avec le temps vous indique la rapidité avec laquelle les informations sont brouillées dans le système quantique, ce qui signifie combien d’états aléatoires supplémentaires sont accessibles», a déclaré Martin Gruebele, chimiste à l’Illinois Urbana-Champaign et co-auteur de l’étude. étude qui fait partie du Centre commun Rice-Illinois pour l’adaptation des défauts en tant que caractéristiques financé par la National Science Foundation. «Les chimistes sont très opposés au sujet du brouillage dans les réactions chimiques, car le brouillage est nécessaire pour atteindre l’objectif de la réaction, mais cela perturbe également votre contrôle sur la réaction.
«Comprendre dans quelles circonstances les molécules brouillent les informations et dans quelles circonstances elles ne le font pas potentiellement nous permet de mieux contrôler les réactions. Connaître les OTOC nous permet essentiellement de fixer des limites au moment où ces informations disparaissent réellement hors de notre contrôle. et inversement, lorsque nous pourrions encore l’exploiter pour obtenir des résultats contrôlés. »
Nancy Makri, également chimiste à l’Illinois Urbana-Champaign, a utilisé les méthodes d’intégration de chemin qu’elle a développées pour étudier ce qui se produit lorsque le modèle de réaction chimique simple est intégré dans un système plus vaste, qui pourrait être les propres vibrations d’une grosse molécule ou un solvant, et a tendance à pour supprimer les mouvements chaotiques.
Peter Wolynes (de gauche à droite), Nancy Makri et Martin Gruebele (Photo de Wolynes par Gustavo Raskosky/Université Rice ; photo de Makri gracieuseté de Nancy Makri ; photo de Gruebele par Fred Zwicky/Université de l’Illinois Urbana-Champaign)
«Dans une étude distincte, nous avons constaté que les grands environnements ont tendance à rendre les choses plus régulières et à supprimer les effets dont nous parlons», a déclaré Makri. «Nous avons donc calculé l’OTOC pour un système de tunnel interagissant avec un vaste environnement, et ce que nous avons constaté, c’est que le brouillage était atténué – un grand changement dans le comportement.»
L’un des domaines d’application pratique des résultats de la recherche consiste à imposer des limites à la manière dont les systèmes de tunneling peuvent être utilisés pour créer des qubits pour les ordinateurs quantiques. Il faut minimiser le brouillage des informations entre les systèmes de tunneling en interaction pour améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques. La recherche pourrait également être pertinente pour les réactions induites par la lumière et la conception de matériaux avancés.
«Il est possible d’étendre ces idées à des processus dans lesquels vous n’effectueriez pas seulement un effet tunnel dans une réaction particulière, mais où vous auriez plusieurs étapes d’effet tunnel, car c’est ce qui est impliqué, par exemple, dans la conduction électronique dans de nombreux nouveaux processus mous. des matériaux quantiques comme les pérovskites qui sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires et des choses de ce genre», a déclaré Gruebele.
Wolynes est professeur de sciences à la Fondation DR Bullard-Welch de Rice, professeur de chimie, de biochimie et de biologie cellulaire, de physique et d’astronomie, de science des matériaux et de nano-ingénierie et codirecteur de son Centre de physique biologique théorique, financé par le National Science. Fondation. Co-auteurs Gruebele est titulaire de la chaire James R. Eiszner en chimie ; Makri est professeur Edward William et Jane Marr Gutgsell et professeur de chimie et de physique ; Chenghao Zhang était étudiant diplômé en physique à l’Illinois Urbana-Champaign et est maintenant postdoctorant au Pacific Northwest National Lab ; et Sohang Kundu a récemment obtenu son doctorat. Il est titulaire d’un doctorat en chimie de l’Université de l’Illinois et est actuellement postdoctoral à l’Université de Columbia.
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) et la chaire Bullard-Welch de Rice (C-0016).
Article évalué par des pairs : « Brouillage de l’information quantique et réactions chimiques » | Actes de l’Académie nationale des sciences | DOI : 10.1073/pnas.2321668121
Auteurs : Chenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele et Peter Wolynes
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LÉGENDE : Le théoricien de l’Université Rice, Peter Wolynes, et ses collaborateurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les molécules peuvent être aussi redoutables pour brouiller l’information quantique que les trous noirs. (Image fournie par Martin Gruebele ; DeepAI a été utilisé dans la production d’images)
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