5 آوریل 2024 -توسط سیلویا سرنیا کلارک، دانشگاه رایس-پیتر وولینز، نظریه‌پرداز دانشگاه رایس و همکارانش در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign نشان داده‌اند که مولکول‌ها می‌توانند به اندازه سیاه‌چاله‌ها در به هم زدن اطلاعات کوانتومی قدرتمند باشند. اعتبارMartin Gruebele; DeepAI
اگر بخواهید پیامی را در یک بطری به داخل سیاهچاله پرتاب کنید، تمام اطلاعات موجود در آن، تا سطح کوانتومی، کاملاً درهم می‌شوند. زیرا در سیاهچاله ها این درهم آمیختگی به همان سرعتی که مکانیک کوانتومی اجازه می دهد اتفاق می افتد. آنها عموماً درهم‌آمیزی اطلاعات نهایی طبیعت در نظر گرفته می‌شوند.
با این حال، تحقیقات جدید پیتر وولینز، نظریه‌پرداز دانشگاه رایس و همکارانش در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign، نشان داده است که مولکول‌ها می‌توانند به اندازه سیاه‌چاله‌ها در به هم زدن اطلاعات کوانتومی قدرتمند باشند.
آنها با ترکیب ابزارهای ریاضی فیزیک سیاهچاله و فیزیک شیمی نشان دادند که تقلب اطلاعات کوانتومی در واکنش های شیمیایی صورت می گیرد و تقریباً می تواند به همان حد مکانیکی کوانتومی برسد که در سیاهچاله ها انجام می شود. این کار به صورت آنلاین در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.
وولینز گفت: «این مطالعه به یک مشکل طولانی مدت در فیزیک شیمیایی می پردازد، که به این سؤال مربوط می شود که اطلاعات کوانتومی با چه سرعتی در مولکول ها درهم می شوند. وقتی مردم به واکنشی فکر می‌کنند که در آن دو مولکول به هم می‌رسند، فکر می‌کنند اتم‌ها تنها یک حرکت واحد را در جایی که پیوند ایجاد می‌کنند یا پیوندی شکسته می‌شوند انجام می‌دهند.
“اما از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، حتی یک مولکول بسیار کوچک نیز یک سیستم بسیار پیچیده است. مانند مدارهای منظومه شمسی، یک مولکول دارای تعداد زیادی سبک حرکتی ممکن است – چیزهایی که ما آن را حالت های کوانتومی می نامیم. واکنش شیمیایی رخ می دهد، اطلاعات کوانتومی در مورد حالات کوانتومی واکنش دهنده ها درهم می شود، و ما می خواهیم بدانیم که چگونه درهم زدن اطلاعات بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد.
برای درک بهتر اینکه چگونه اطلاعات کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی درهم می‌آید، دانشمندان یک ابزار ریاضی را قرض گرفتند که معمولاً در فیزیک سیاه‌چاله‌ها به‌نام همبستگی‌های خارج از زمان سفارش یا OTOCs استفاده می‌شود.
وولینز گفت OTOC :ها در واقع در زمینه بسیار متفاوتی حدود 55 سال پیش اختراع شدند، زمانی که از آنها برای بررسی اینکه چگونه الکترونهای ابررساناها تحت تأثیر اختلالات ناشی از ناخالصی قرار می گیرند، استفاده شد. آنها یک شی بسیار تخصصی هستند که در تئوری ابررسانایی استفاده می شود. آنها در دهه 1990 توسط فیزیکدانان برای مطالعه سیاهچاله ها و نظریه ریسمان مورد استفاده قرار گرفتند.
OTOC اندازه گیری می کند که چه مقدار تغییر یک قسمت از یک سیستم کوانتومی در یک لحظه در زمان بر حرکات قسمت های دیگر تأثیر می گذارد. آنها آنالوگ کوانتومی توان لیاپانوف هستند که غیرقابل پیش بینی بودن را در سیستم های آشفته کلاسیک اندازه گیری می کنند.
مارتین گروبله، شیمیدان در ایلینوی Urbana-Champaign و یکی از نویسندگان این مقاله می گوید: «چقدر سریع OTOC با گذشت زمان افزایش می یابد، به شما می گوید که اطلاعات با چه سرعتی در سیستم کوانتومی درهم می شوند، به این معنی که به چند حالت تصادفی دیگر دسترسی پیدا می شود. شیمیدانان در مورد تقلا در واکنش های شیمیایی بسیار متعارض هستند، زیرا تقلا برای رسیدن به هدف واکنش ضروری است، اما همچنین کنترل شما را بر واکنش به هم می زند.
درک اینکه در چه شرایطی مولکول‌ها اطلاعات را به هم می‌زنند و تحت چه شرایطی به طور بالقوه نمی‌توانند واکنش‌ها را بهتر کنترل کنیم. دانستن OTOCs اساساً به ما اجازه می‌دهد محدودیت‌هایی را برای زمانی که این اطلاعات واقعاً خارج از کنترل ما ناپدید می‌شوند تعیین کنیم. و برعکس زمانی که ما هنوز می‌توانیم آن را برای داشتن نتایج کنترل‌شده مهار کنیم.”
در مکانیک کلاسیک، یک ذره باید انرژی کافی برای غلبه بر مانع انرژی داشته باشد تا واکنشی رخ دهد. با این حال، در مکانیک کوانتومی، این احتمال وجود دارد که ذرات بتوانند از طریق این سد «تونل بزنند» حتی اگر انرژی کافی نداشته باشند. محاسبه OTOCs نشان داد که واکنش‌های شیمیایی با انرژی فعال‌سازی کم در دماهای پایین که در آن تونل‌زنی غالب است، می‌تواند اطلاعات را تقریباً در حد کوانتومی، مانند یک سیاهچاله به هم بزند.
نانسی مکری، همچنین یک شیمیدان در ایلینویز Urbana-Champaign، از روش‌های انتگرال مسیری که توسعه داده است استفاده کرد تا بررسی کند که وقتی مدل واکنش شیمیایی ساده در یک سیستم بزرگ‌تر تعبیه می‌شود، که می‌تواند ارتعاشات خود یک مولکول بزرگ یا یک حلال باشد، برای سرکوب حرکت آشفته چه اتفاقی می‌افتد.
مکری گفت: «در یک مطالعه جداگانه، ما دریافتیم که محیط‌های بزرگ تمایل دارند که همه چیز را منظم‌تر کنند و جلوه‌هایی را که ما در مورد آن صحبت می‌کنیم سرکوب می‌کنند. بنابراین ما OTOC را برای یک سیستم تونل زنی که با یک محیط بزرگ در تعامل است محاسبه کردیم، و چیزی که دیدیم این بود که تقلا خاموش شد – یک تغییر بزرگ در رفتار.
یکی از زمینه های کاربردی عملی برای باله تحقیقاتی این است که محدودیت هایی در مورد نحوه استفاده از سیستم های تونل زنی برای ساخت کیوبیت برای کامپیوترهای کوانتومی ایجاد کند. برای بهبود قابلیت اطمینان رایانه های کوانتومی، باید تقلای اطلاعات بین سیستم های تونل زنی در حال تعامل را به حداقل رساند. این تحقیق همچنین می تواند برای واکنش های نور محور و طراحی مواد پیشرفته مرتبط باشد.
پتانسیل گسترش این ایده‌ها به فرآیندهایی وجود دارد که در آنها نه تنها در یک واکنش خاص تونل می‌زنید، بلکه باید چندین مرحله تونل‌زنی داشته باشید، زیرا این همان چیزی است که مثلاً در رسانش الکترون در بسیاری از نرم‌افزارهای جدید دخیل است. گروبله گفت: مواد کوانتومی مانند پروسکایت ها که برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده می شوند و چیزهایی از این قبیل.
