化学反应可以扰乱量子信息以及黑洞

如果你将一条装在瓶子里的信息扔进黑洞，那么里面的所有信息，直到量子水平，都将变得完全混乱。由于在黑洞中这种扰乱发生的速度与量子力学所允许的一样快且彻底，因此它们通常被认为是自然界的终极信息扰乱者。

然而，莱斯大学理论家Peter Wolynes 和诺伊大学厄巴纳-香槟分校合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，并且几乎可以达到与黑洞中相同的量子力学极限。该工作在线发表在《美国国家科学院院刊》上。

沃林斯说：“这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，该问题与量子信息在分子中混乱的速度有关。” “当人们想到两个分子聚集在一起的反应时，他们认为原子只执行一次形成键或断裂键的运动。

“但从量子力学的角度来看，即使是非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子有大量可能的运动方式——我们称之为量子态。当化学反应发生时，有关反应物量子态的量子信息就会变得混乱，我们想知道信息混乱如何影响反应速率。”

为了更好地理解量子信息在化学反应中是如何被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，称为乱序相关器(OTOC)。

“OTOC 实际上是在大约 55 年前在一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，”Wolynes 说。 “它们是超导理论中使用的非常特殊的物体。接下来，它们在 20 世纪 90 年代被物理学家用来研究黑洞和弦理论。”

OTOC 测量在某一时刻对量子系统的一个部分进行多少调整会影响其他部分的运动，从而深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是李亚普诺夫指数的量子模拟，用于衡量经典混沌系统中的不可预测性。诺伊州厄巴纳-香槟分校的化学家、该论文的合著者Martin Gruebele

表示：“OTOC 随着时间的推移而增加的速度告诉你信息在量子系统中被扰乱的速度有多快，这意味着有多少看起来随机的状态正在被访问。”该研究是 由国家科学基金会资助的赖斯-诺伊州适应缺陷特征联合中心的一部分。 “化学家对于化学反应中的扰乱非常矛盾，因为扰乱对于达到反应目标是必要的，但它也会扰乱你对反应的控制。

“了解分子在什么情况下会扰乱信息以及在什么情况下不会扰乱信息，这可能使我们能够更好地控制反应。了解 OTOC 基本上可以让我们对这些信息何时真正消失而超出我们的控制范围，以及何时我们仍然可以利用它来控制结果进行限制。”

在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服发生反应的能垒。然而，在量子力学中，即使粒子没有足够的能量，它们也有可能“隧道”穿过这个势垒。 OTOC的计算表明，在隧道效应占主导地位的低温下，低活化能的化学反应可以在接近量子极限的情况下扰乱信息，就像黑洞一样。

南希·马克里 (Nancy Makri ) 也是诺伊州厄巴纳-香槟分校的化学家，她使用她开发的路径积分方法来研究当简单的化学反应模型嵌入到更大的系统中时会发生什么，该系统可能是大分子自身的振动或溶剂，并且倾向于来抑制混沌运动。

“在另一项研究中，我们发现大环境往往会使事情变得更加规律，并抑制我们正在谈论的影响，”马克里说。 “因此，我们计算了与大环境交互的隧道系统的 OTOC，我们看到的是扰乱被抑制了——行为发生了巨大变化。”

该研究成果的实际应用领域之一是限制如何使用隧道系统来构建量子计算机的量子位。人们需要最大限度地减少交互隧道系统之间的信息扰乱，以提高量子计算机的可靠性。该研究还可能与光驱动反应和先进材料设计相关。

“有可能将这些想法扩展到过程中，在该过程中，您不仅会在一个特定反应中进行隧道效应，而且还会有多个隧道效应步骤，因为这就是许多新软材料中电子传导所涉及的内容。钙钛矿等量子材料被用来制造太阳能电池等，”Gruebele 说。

沃林斯是莱斯大学布拉德-韦尔奇博士基金会科学教授、化学、生物化学和细胞生物学、物理学和天文学、材料科学和纳米工程教授，也是莱斯大学理论生物物理中心的联合主任，该中心由国家科学基金资助基础。合著者 Gruebele 是 James R. Eiszner 化学讲座教授; Makri 是 Edward William 和 Jane Marr Gutgsell 教授以及化学和物理学教授;张成浩 是诺伊大学香槟分校物理学研究生，现为太平洋西北国家实验室博士后; Sohang Kundu 最近获得了博士学位。诺伊大学化学博士，目前是哥伦比亚大学博士后。

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