Молекулите в ролята на черни дупки: нови шампиони по анихилация на квантовата информация

Науката има много перспективи пред себе си, ако овладеем квантовия хаос.

Мистериозните черни дупки, способни да поглъщат дори самата материя, се считат за най-страшните разрушители на квантовата информация. Въпреки това, както установиха учени от Университета Райс и Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн (САЩ), обикновените химични реакции се справят с нея също толкова успешно.

Изследователите прилагат математически метод, разработен преди повече от половин век за описване на квантовите процеси в свръхпроводниците. Този подход, известен като корелатор на извънвремевия ред (OTOC), им позволил да разберат колко бързо се губи квантовата информация по време на химичните трансформации. При това на ниво отделни молекули.

Оказва се, че квантовото тунелиране – способността на частиците да проникват през потенциални бариери, без да имат достатъчно енергия за преодоляването им – играе ключова роля в този процес. Това води до непредсказуеми, хаотични промени в квантовите състояния, напомнящи „тотално разбъркване на картите“ в една игра.

„Когато си мислим за химична реакция, при която две молекули се съединяват, ни се струва, че атомите просто образуват или разкъсват връзки“, казва физикът теоретик Питър Волинс от Университета Райс. „Но зад тази класическа картина се крие много по-сложна квантова реалност“.

Учените откриха, че тунелирането е най-вероятно да се случи в затворени групи частици с ниска енергийна бариера. Особено при ниска температура. При такива условия квантовата информация се губи само за част от пикосекундата. Това е сравнимо със скоростта, характерна за черните дупки.

При по-сложни условия обаче, като например в разтвори или биологични среди, този процес затихва. Причината е, че частиците претърпяват множество сблъсъци и взаимодействия, които потискат квантовото тунелиране.

„Възможно е да разширим тези идеи до по-сложни процеси, при които има не единично, а многократно квантово тунелиране“, казва химикът Мартин Грюбел от Университета на Илинойс. – Това е важно, например, за описване на електронната проводимост в новите квантови материали, като перовскитите, използвани в слънчевите батерии“.

Учените се надяват, че разбирането на механизмите на квантовия хаос в химията ще помогне на инженерите да контролират тунелирането. Тоест да го потискат там, където е нежелателно, и да го използват там, където може да бъде полезно.