Les réactions chimiques peuvent brouiller les informations quantiques aussi efficacement que les trous noirs

Les trous noirs comptent parmi les phénomènes les plus fascinants de l’univers. Ils aspirent et dévorent indéfiniment tout ce qui se trouve à leur proximité. Même la lumière n’y résiste pas. Ils sont considérés comme les ultimes brouilleurs d’informations quantiques.

Cela signifie que dans un trou noir, “Les informations sur l’état initial des particules sont perdues ou dispersées si complètement qu’elles ne peuvent pas être récupérées directement”résume Peter Wolynes, physicien théoricien à l’Université Rice.

Mais dans une étude qu’il a dirigée et publiée dans la revue américaine Proceedings of the National Academy of Sciences, relayée par Science Alert, des chercheurs de l’université Rice (Texas) et de l’université d’Urbana-Champaign (Illinois) ont démontré que ce brouillage de l’information quantique pouvait être trouvé dans les réactions chimiques de base.

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“Cette étude aborde un problème de longue date en physique chimique, à savoir la vitesse à laquelle l’information quantique est brouillée dans les molécules”explique Peter Wolynes dans un communiqué de presse de l’Université Rice.

Intérêts en termes de recherche fondamentale

Comprendre comment les molécules brouillent l’information quantique dans certains cas et pas dans d’autres nous permettrait de mieux contrôler les réactions chimiques. Or, la manipulation de l’état quantique – que l’information quantique est censée définir – représente des intérêts en termes de recherche fondamentale, notamment pour créer de nouveaux matériaux ou développer de nouvelles molécules.

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“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 la réaction.”détaille Peter Wolynes.

Pour y parvenir, des chercheurs des universités Rice et de l’Illinois ont utilisé un outil mathématique généralement utilisé en physique des trous noirs. Les « corrélateurs d’ordres hors du temps » (OTOC) ont été créés dans les années 1960 pour étudier le comportement des électrons dans les supraconducteurs. Mais depuis les années 1990, ils sont également utilisés pour étudier les trous noirs.

Contrairement à une réaction physique classique, où les particules se lient ou rebondissent en fonction d’une énergie suffisante, les états quantiques impliquent des éléments de hasard, décrit Science Alert. Il s’agit de l’effet tunnel, ou propriété d’un objet quantique de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l’énergie minimale nécessaire pour franchir cette barrière.

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Atténuation des interférences dans certaines conditions

Le calcul des OTOC a montré que les réactions chimiques à faible énergie d’activation et à basse température, où domine le phénomène de tunneling, peuvent brouiller l’information à un niveau proche de la limite quantique, comme un trou noir.

“Dans une autre étude, 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 Nancy Makri. “Nous avons donc calculé l’OTOC pour un système de tunnel interagissant avec un vaste environnement, et avons constaté que les interférences étaient atténuées, ce qui représente un changement de comportement significatif.”

Ainsi, l’étude menée par Peter Wolynes ouvre la voie pour limiter les effets tunnel, voire les contrôler pour des applications innovantes, insiste Science Alert.

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“Il est possible d’étendre ces idées à des processus dans lesquels il n’y aurait pas seulement un effet tunnel dans une réaction particulière, mais où il y aurait de multiples étapes d’effet tunnel, car c’est ce qui est impliqué, par exemple, dans la conduction des électrons dans de nombreux nouveaux processus quantiques mous. des matériaux comme les pérovskites, qui sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires.conclut Martin Gruebele, chimiste à l’Université d’Urbana-Champaign.