des réactions chimiques rivalisant avec les trous noirs

Des recherches de l’Université Rice et de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les molécules peuvent brouiller les informations quantiques aussi efficacement que les trous noirs, avec des implications pour la physique chimique et l’informatique quantique.

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.

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. L’ouvrage est publié en ligne dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Réactions chimiques et brouillage quantique

“Cette étude aborde un problème de longue date en physique chimique, lié à la rapidité avec laquelle les informations quantiques sont brouillées dans les molécules”, a déclaré Wolynes. « Quand les gens pensent à une réaction dans laquelle deux molécules se rencontrent, ils pensent aux atomes effectuant un seul mouvement dans lequel 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 possède un grand nombre de styles de mouvement possibles, ce que nous appelons des états quantiques. Lorsqu’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’ordres hors du 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 causées par 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 les physiciens dans les années 1990 pour étudier les trous noirs et la théorie des cordes.

Les OTOC mesurent la manière dont la modification d’une partie d’un système quantique à un moment donné affectera les mouvements des autres parties, fournissant ainsi un aperçu de la rapidité et de l’efficacité avec lesquelles les informations peuvent se propager à travers 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 au fil du 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 traits financé par la National Science Foundation. « Les chimistes sont très en désaccord sur la question de l’interférence dans les réactions chimiques, car l’interférence est nécessaire pour atteindre l’objectif de la réaction, mais elle perturbe également le contrôle de la réaction.

“Comprendre quand les molécules brouillent les informations et quand elles ne le font pas nous permet potentiellement 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, au moment où nous pouvons encore les 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. Or, en mécanique quantique, il est possible que des particules puissent « traverser » cette barrière même si elles ne disposent pas de 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 passe lorsqu’un modèle de réaction chimique simple est intégré dans un système plus vaste, qui pourrait être les propres vibrations d’une grosse molécule ou d’un solvant, et tend à supprimer les mouvements chaotiques.

“Dans une étude distincte, nous avons constaté que les environnements plus grands 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 nous avons constaté que les interférences étaient atténuées – un grand changement de comportement. »

Applications pratiques et recherches futures

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. Le brouillage des informations entre les systèmes de tunneling en interaction doit être minimisé pour améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques. La recherche pourrait également concerner 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’auriez pas seulement un tunnel dans une réaction particulière, mais où vous auriez plusieurs étapes de tunneling, 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.

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 National Science. Fondation. Co-auteurs Gruebele est professeur de chimie James R. Eiszner ; 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 chercheur postdoctoral au Pacific Northwest National Lab ; et Sohang Kundu a récemment obtenu son doctorat. en chimie de l’Université de l’Illinois et est actuellement chercheur postdoctoral à Université de Colombie.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) et la chaire Bullard-Welch à Rice (C-0016).