科学家们发现，分子以与黑洞相当的速度扰乱量子信息，影响化学反应，并为控制量子计算系统提供见解。来源:SciTechDaily.com

　　莱斯大学(Rice University)和伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究表明，分子可以像黑洞一样有效地扰乱量子信息，这对化学物理学和量子计算具有重要意义。

　　如果你把一个装在瓶子里的信息扔进黑洞，瓶子里的所有信息，直到量子水平，都会被完全打乱。因为在量子力学允许的范围内，这种混乱发生得最快、最彻底，所以黑洞通常被认为是大自然的终极信息混乱者。

　　然而，莱斯大学理论学家彼得·沃恩斯和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的合作者们的新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，他们已经证明，量子信息混乱发生在化学反应中，并且几乎可以达到与黑洞中相同的量子力学极限。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》的网络版上。

　　化学反应和量子混乱

　　Wolynes说:“这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中混乱的速度有多快。”“当人们想到两个分子聚集在一起的反应时，他们认为原子只在键形成或键断开时进行单一运动。

　　“但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系的轨道一样，一个分子有很多可能的运动形式-我们称之为量子态。当化学反应发生时，有关反应物量子态的量子信息被打乱，我们想知道信息打乱是如何影响反应速率的。”

　　张成浩(左)和Sohang Kundu。图片来源:Bill Wiegand/伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校;昆都的照片由Sohang Kundu提供

　　为了更好地理解量子信息在化学反应中是如何被打乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即超时序相关器(OTOCs)。

　　“大约55年前，otoc实际上是在一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来观察超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，”Wolynes说。“它们是一种非常特殊的物体，用于超导理论。20世纪90年代，物理学家又用它们来研究黑洞和弦理论。”

　　otoc测量在某个瞬间调整量子系统的一部分会影响其他部分的运动，以便深入了解信息在整个分子中传播的速度和有效性。它们是李雅普诺夫指数的量子模拟，用来测量经典混沌系统中的不可预测性。

　　“OTOC随时间增加的速度告诉你信息在量子系统中被打乱的速度有多快，这意味着有多少看起来随机的状态被访问，”Martin Gruebele说，他是伊利诺伊州厄巴纳-香槟分校的化学家，也是这项研究的合著者，他是由国家科学基金会资助的赖斯-伊利诺伊联合中心的一部分，以适应缺陷为特征。“化学家对化学反应的混乱非常矛盾，因为混乱是达到反应目标的必要条件，但它也会扰乱你对反应的控制。

　　“了解分子在什么情况下扰乱信息，在什么情况下它们没有潜在地让我们能够更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们限制这些信息何时真正从我们的控制中消失，反之，我们仍然可以利用它来控制结果。”

　　Peter Wolynes(左起)，Nancy Makri和Martin Gruebele。图片来源:Wolynes Gustavo Raskosky/Rice University;南希·马克里提供的马克里照片;Fred Zwicky/伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校为Gruebele拍摄

　　在经典力学中，粒子必须有足够的能量来克服能垒，才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子没有足够的能量，它们也有可能“隧道”穿过这个屏障。otoc的计算表明，在低温下，隧道作用占主导地位的低活化能化学反应可以在接近量子极限的情况下扰乱信息，就像黑洞一样。

　　南希·马克里(Nancy Makri)也是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(Illinois Urbana-Champaign)的化学家，她使用自己开发的路径积分方法来研究当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统(可能是大分子自身的振动或溶剂)时会发生什么，并倾向于抑制混沌运动。

　　马克里说:“在另一项研究中，我们发现，大环境往往会使事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。”“所以我们计算了一个与大环境相互作用的隧道系统的OTOC，我们看到的是混乱被淬灭了，行为发生了很大的变化。”

　　实际应用与未来研究

　　研究结果的一个实际应用领域是限制隧道系统如何用于为量子计算机构建量子比特。人们需要将相互作用的隧道系统之间的信息混乱最小化，以提高量子计算机的可靠性。这项研究也可能与光驱动反应和先进材料设计有关。

　　Gruebele说:“有可能将这些想法扩展到不仅仅是在一个特定反应中穿隧的过程中，而是在多个穿隧步骤中，因为这就是所涉及的，例如，在许多新的软量子材料(如钙钛矿)中，电子传导被用于制造太阳能电池和类似的东西。”

　　参考文献:“量子信息扰和化学反应”，作者:张成浩，Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele和Peter G. Wolynes, 2024年4月1日，美国国家科学院院刊。DOI: 10.1073 / pnas.2321668121

　　Wolynes是莱斯大学博士布拉德-韦尔奇基金会的科学教授，是化学、生物化学和细胞生物学、物理学和天文学、材料科学和纳米工程的教授，也是由国家科学基金会资助的理论生物物理中心的联合主任。合著者Gruebele是James R. Eiszner化学教授;Makri是Edward William and Jane Marr Gutgsell教授以及化学和物理教授;张成豪，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学研究生，现为西北太平洋国家实验室博士后;Sohang Kundu最近在伊利诺伊大学获得化学博士学位，目前是哥伦比亚大学的博士后。

　　这项研究得到了美国国家科学基金会(1548562,2019745,1955302)和莱斯大学布拉德-韦尔奇主席(C-0016)的支持。