De nouvelles recherches menées par Peter Wolynes, théoricien de l'Université Rice, et ses collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont cependant montré 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 Proceedings of the 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 réunissent, ils pensent que les atomes n'effectuent qu'un seul mouvement où 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."
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 dans les 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. "Les chimistes sont très en désaccord sur la question 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, quand nous pourrions encore l'exploiter pour obtenir des résultats contrôlés."
En mécanique classique, une particule doit avoir suffisamment d’énergie pour surmonter une barrière énergétique pour qu’une réaction se produise. Cependant, en mécanique quantique, il est possible que des particules puissent « passer » à travers cette barrière même si elles ne possèdent pas suffisamment d’énergie. Le calcul des OTOC a montré que les réactions chimiques avec une faible énergie d'activation à basse température où l'effet tunnel domine peuvent brouiller les informations presque à la limite quantique, comme un trou noir.
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.
"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 vu, 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 comme ça", a déclaré Gruebele.
