מדענים גילו שמולקולות מערבבות מידע קוונטי בקצבים דומים לחורים שחורים, משפיעות על תגובות כימיות ומציעות תובנות לשליטה במערכות מחשוב קוונטי. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר מאוניברסיטת רייס ואוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין הראה שמולקולות יכולות לטרוף מידע קוונטי ביעילות כמו חורים שחורים, עם השלכות על הפיזיקה הכימית מחשוב קוונטי.
אם היית זורק הודעה בבקבוק לתוך א חור שחור, כל המידע שבו, עד לרמה הקוונטית, יהפוך מקושקש לחלוטין. מכיוון שבחורים שחורים הערבול הזה מתרחש במהירות וביסודיות כפי שמאפשרת מכניקת הקוונטים, הם נחשבים בדרך כלל למערבלי המידע האולטימטיביים של הטבע.
מחקר חדש של התיאורטיקן של אוניברסיטת רייס פיטר וולינס ומשתפי פעולה באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין, לעומת זאת, הראה שמולקולות יכולות להיות אדירות בטירוף מידע קוונטי כמו חורים שחורים. בשילוב כלים מתמטיים מפיזיקה של חורים שחורים ופיזיקה כימית, הם הראו שערבול מידע קוונטי מתרחש בתגובות כימיות ויכול להגיע כמעט לאותו גבול מכאני קוונטי כמו בחורים שחורים. העבודה מתפרסמת באינטרנט ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
תגובות כימיות וערבול קוונטי
"מחקר זה מתייחס לבעיה ארוכת שנים בפיזיקה כימית, שקשורה לשאלה באיזו מהירות מידע קוונטי מעורפל במולקולות", אמר וולינס. "כשאנשים חושבים על תגובה שבה שתי מולקולות מתחברות יחד, הם חושבים שהאטומים מבצעים רק תנועה בודדת שבה נוצר קשר או נשבר קשר.
"אבל מנקודת המבט המכאנית הקוונטית, אפילו מולקולה קטנה מאוד היא מערכת מאוד מסובכת. בדומה למסלולים במערכת השמש, למולקולה יש מספר עצום של סגנונות תנועה אפשריים ⎯ דברים שאנו מכנים מצבים קוונטיים. כאשר מתרחשת תגובה כימית, מידע קוונטי על המצבים הקוונטיים של המגיבים הופך להיות מקושקש, ואנו רוצים לדעת כיצד ערבול מידע משפיע על קצב התגובה."
צ'נגאו ג'אנג (משמאל) וסוהאנג קונדו. קרדיט: תמונה של ג'אנג מאת ביל וויגנד/אוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין; תמונה של קונדו באדיבות סואנג קונדו
כדי להבין טוב יותר כיצד מידע קוונטי מעורפל בתגובות כימיות, המדענים שאלו כלי מתמטי המשמש בדרך כלל בפיזיקה של חורים שחורים המכונה מתאמים לא-מחוץ לזמן, או OTOCs.
"OTOCs למעשה הומצאו בהקשר שונה מאוד לפני כ-55 שנים, כאשר הם שימשו כדי להסתכל על האופן שבו אלקטרונים במוליכי-על מושפעים מהפרעות מטומאה", אמר וולינס. "הם אובייקט מאוד מיוחד המשמש בתורת מוליכות העל. הם שימשו לאחר מכן על ידי פיזיקאים בשנות התשעים שחקרו חורים שחורים ותורת המיתרים."
OTOCs מודדים עד כמה התאמה של חלק אחד של מערכת קוונטית ברגע מסוים בזמן ישפיע על התנועות של החלקים האחרים ⎯ מספקים תובנה עד כמה מהר ואפקטיבי מידע יכול להתפשט בכל המולקולה. הם האנלוג הקוונטי של מעריכי ליאפונוב, המודדים אי-חיזוי במערכות כאוטיות קלאסיות.
"המהירות שבה ה-OTOC גדל עם הזמן מספרת לך באיזו מהירות המידע מעורפל במערכת הקוונטית, כלומר לכמה עוד מדינות נראות אקראי מגיעות", אמר מרטין גרובל, כימאי באילינוי אורבנה-שמפיין ומחבר שותף בנושא מחקר מי הוא חלק ממרכז רייס-אילינוי המשותף להתאמת פגמים כתכונות במימון הקרן הלאומית למדע. "כימאים מאוד מסוכסכים בנוגע לערבול בתגובות כימיות, כי ערבול הוא הכרחי כדי להגיע ליעד התגובה, אבל זה גם מבלבל את השליטה שלך על התגובה.
"ההבנה באילו נסיבות מולקולות מערבבות מידע ובאילו נסיבות הן לא נותנות לנו שליטה על היכולת לשלוט בתגובות בצורה טובה יותר. הכרת OTOCs בעצם מאפשרת לנו להגביל מתי המידע הזה באמת נעלם מחוץ לשליטתנו ולהפך מתי נוכל עדיין לרתום אותו כדי לקבל תוצאות מבוקרות."
פיטר וולינס (משמאל), ננסי מאקרי ומרטין גרובל. קרדיט: תמונה של וולינס גוסטבו רסקוסקי/אוניברסיטת רייס; תמונה של מאקרי באדיבות ננסי מאקרי; תמונה של Gruebele מאת Fred Zwicky/אוניברסיטת אילינוי Urbana-Champaign
במכניקה הקלאסית, לחלקיק חייבת להיות מספיק אנרגיה כדי להתגבר על מחסום אנרגיה כדי שתתרחש תגובה. עם זאת, במכניקת הקוונטים, קיימת אפשרות שחלקיקים יכולים "לנהור" דרך המחסום הזה גם אם אין להם מספיק אנרגיה. החישוב של OTOCs הראה שתגובות כימיות עם אנרגיית הפעלה נמוכה בטמפרטורות נמוכות שבהן המנהור שולט יכולות לטרוף מידע כמעט בגבול הקוונטי, כמו חור שחור.
ננסי מאקרי, גם כימאית באילינוי אורבנה-שמפיין, השתמשה בשיטות אינטגרליות של נתיב שפיתחה כדי לחקור מה קורה כאשר מודל התגובה הכימית הפשוטה מוטמע במערכת גדולה יותר, שיכולה להיות תנודות של מולקולה גדולה עצמה או ממס, ונוטה לדכא תנועה כאוטית.
"במחקר נפרד מצאנו שסביבות גדולות נוטות להפוך את הדברים לסדירים יותר ולדכא את ההשפעות שעליהן אנחנו מדברים", אמר מאקרי. "אז חישבנו את ה-OTOC עבור מערכת מנהור המקיימת אינטראקציה עם סביבה גדולה, ומה שראינו היה שהטריפה הופסקה ⎯ שינוי גדול בהתנהגות."
יישומים מעשיים ומחקר עתידי
תחום יישום מעשי של ממצאי המחקר הוא הצבת מגבלות על האופן שבו ניתן להשתמש במערכות מנהור לבניית קיוביטים עבור מחשבים קוונטיים. צריך למזער את ערבול המידע בין מערכות מנהור באינטראקציה כדי לשפר את האמינות של מחשבים קוונטיים. המחקר יכול להיות רלוונטי גם עבור תגובות מונעות אור ועיצוב חומרים מתקדמים.
"יש פוטנציאל להרחיב את הרעיונות האלה לתהליכים שבהם לא היית עושה רק מנהור בתגובה מסוימת, אלא שבהם יהיו לך שלבי מנהור מרובים, כי זה מה שמעורב, למשל, בהולכת אלקטרונים בהרבה מהחדשים הרכים. חומרים קוונטיים כמו פרוסקיטים המשמשים לייצור תאים סולאריים ודברים כאלה", אמר גרובל.
וולינס הוא פרופסור למדעים של קרן DR Bullard-Welch Foundation של רייס, פרופסור לכימיה, לביוכימיה וביולוגיה של התא, פיזיקה ואסטרונומיה ומדעי חומרים וננו-הנדסה ומנהל שותף של המרכז לפיזיקה ביולוגית תיאורטית שלה, הממומן על ידי המדע הלאומי. קרן. מחברים שותפים Gruebele הוא הקתדרה המוענקת לכימיה של ג'יימס ר. אייזנר; מאקרי הוא הפרופסור של אדוארד וויליאם וג'יין מאר גוטגסל ופרופסור לכימיה ופיזיקה; צ'נגאו ג'אנג היה סטודנט לתואר שני בפיזיקה באילינוי אורבנה-שמפיין וכעת הוא פוסט דוקטורט במעבדה הלאומית של Pacific Northwest; ו-Sohang Kundu קיבל לאחרונה את הדוקטורט שלו. בכימיה מאוניברסיטת אילינוי וכיום הוא פוסט דוקטורט ב אוניברסיטת קולומביה.
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (1548562, 2019745, 1955302) והכיסא של Bullard-Welch ב-Rice (C-0016).
