Влияние черной дыры на квантовую информацию обнаружено в повседневной химии
Ничто так не портит квантовую физику, как эти искажающие пространство и поглощающие материю чудовища, известные как черные дыры. Если вы хотите превратить яйца Шрёдингера в информационный омлет, просто найдите горизонт событий и дайте им упасть.
По мнению физиков-теоретиков и химиков из Университета Райса и Иллинойского университета Урбана-Шампейн в США , базовая химия способна почти так же эффективно шифровать квантовую информацию.
Команда использовала математический инструмент, разработанный более полувека назад, чтобы преодолеть разрыв между известной полуклассической физикой и квантовыми эффектами в сверхпроводимости. Они обнаружили, что тонкие квантовые состояния реагирующих частиц перемешиваются с удивительной скоростью и эффективностью, близкой к мощности черной дыры.
«Это исследование направлено на давнюю проблему химической физики, которая Это связано с вопросом о том, как быстро квантовая информация путается в молекулах», — говорит теоретик физики из Университета Райса Питер Волайнс.
«Когда люди думают о реакции, в которой две молекулы встречаются, они думают, что атомы только выполняют единственное движение, при котором связь создается или разрывается».
За классическими моделями «шара и палки» атомов, слипающихся в молекулы, скрывается гораздо более сложная Вселенная, имеющая больше общего с математика азартных игр, а не инженерия.
В квантовом мире состояния возможности могут возрастать и уменьшаться, как шансы в игре в покер, когда судьбы частиц переплетаются. Каждый поворот в реакции – каждый новый электрон, каждый добавленный протон – переворачивает новую карту, которая меняет ставки тонким, но решающим образом.
В отличие от событий «все или ничего» в классической физике, где частицы связь или отскок, основанные на достаточных показателях энергии, квантовые состояния включают в себя элементы случайности, которые могут увидеть нарушение барьеров без уплаты пошлин.
Известные как туннелирование, эти квантовые нарушители могут сделать картирование эволюции квантовых состояний полностью это сложнее. То, что начинается как аккуратная ставка, быстро превращается в хаотичный беспорядок, смысл которого зависит от бесчисленного множества факторов.
Один из методов разрушения крошечных изменений, определяющих квантовый хаос, использует так называемый вневременной порядок. корреляторы или OTOC. Первоначально разработанные для моделирования сверхпроводимости в 1960-х годах, они вернулись десятилетия спустя, чтобы понять, как информация распространяется в черных дырах.
«То, насколько быстро OTOC увеличивается со временем, говорит о том, насколько быстро информация шифруется. в квантовой системе, а это означает, что становится доступно еще много случайно выглядящих состояний», — говорит химик из Иллинойса Урбана-Шампейн Мартин Грюбеле.
Расчеты команды показали, что туннелирование наиболее вероятно происходит между ограниченными группами частиц, которым требуется мало энергии для реакции, особенно когда они хранятся при достаточно низкой температуре.
Фактически, эта тенденция к туннелированию, возникающая в таких прерывистых реакциях, может искажать квантовую информацию в субпикосекундном масштабе времени. Это пример черных дыр, которые являются настоящими мастерами в получении квантовых состояний и смешивании их всех в однородную массу.
Любопытно, что те же самые реакции происходят в более реальной среде – например, громоздкий раствор или биологический суп из материалов – одно и то же поведение скремблирования «гасится».
Есть надежда, что, найдя правильные инструменты для отображения квантового хаоса на химическом уровне, инженеры смогут штрафовать — настраивать материалы, чтобы свести к минимуму туннелирование там, где оно нежелательно, или контролировать его для инновационных применений.
«Есть потенциал для распространения этих идей на процессы, в которых вы не просто будете туннелировать в одной конкретной реакции, но где у вас будет несколько этапов туннелирования, — говорит Грюбеле, — потому что именно это участвует, например, в электронной проводимости во многих новых мягких квантовых материалах, таких как перовскиты, которые используются для изготовления солнечных элементов и тому подобных вещей».
Это исследование было опубликовано в PNAS.
