Las reacciones químicas pueden alterar la información cuántica y también los agujeros negros | Noticias de arroz | Noticias y relaciones con los medios.
Si arrojaras un mensaje contenido en una botella a un agujero negro, toda la información contenida en él, hasta el nivel cuántico, quedaría completamente codificada. Debido a que los agujeros negros ocurren tan rápida y completamente como lo permite la mecánica cuántica, generalmente se los considera los mejores mezcladores de información de la naturaleza.
Nueva investigación del teórico de la Universidad Rice Pedro Wolynes y colaboradores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, sin embargo, muestra que las moléculas pueden ser tan formidables a la hora de mezclar información cuántica como los agujeros negros. Combinando herramientas matemáticas de la física de los agujeros negros y la física química, demostraron que la confusión de la información cuántica ocurre en las reacciones químicas y puede alcanzar casi el mismo límite mecánico cuántico que ocurre en los agujeros negros. El trabajo está publicado en línea en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
«Este estudio aborda un problema de larga data en la física química, que tiene que ver con la cuestión de la rapidez con la que la información cuántica se mezcla en las moléculas», dijo Wolynes. “Cuando la gente piensa en una reacción en la que dos moléculas se unen, piensan que los átomos solo realizan un movimiento en el que se establece o se rompe un enlace.
“Pero desde el punto de vista de la mecánica cuántica, incluso una molécula muy pequeña es un sistema muy complicado. Al igual que las órbitas del sistema solar, una molécula tiene una gran cantidad de estilos de movimiento posibles: cosas que llamamos estados cuánticos. Cuando ocurre una reacción química, la información cuántica sobre los estados cuánticos de los reactivos se confunde, y queremos saber cómo esa confusión de información afecta la velocidad de reacción”.
Para comprender mejor cómo se mezcla la información cuántica en las reacciones químicas, los científicos tomaron prestada una herramienta matemática típicamente utilizada en la física de los agujeros negros conocida como correlacionadores de orden fuera de tiempo u OTOC.
«Los OTOC se inventaron en un contexto muy diferente hace unos 55 años, cuando se utilizaron para observar cómo los electrones en los superconductores se ven afectados por las perturbaciones causadas por una impureza», dijo Wolynes. “Son un objeto muy especializado utilizado en la teoría de la superconductividad. Luego fueron utilizados por físicos en la década de 1990 que estudiaban los agujeros negros y la teoría de cuerdas”.
Los OTOC miden en qué medida el ajuste de una parte de un sistema cuántico afectará en algún momento los movimientos de las otras partes, proporcionando información sobre la rapidez y eficacia con la que la información puede difundirse por toda la molécula. Son el análogo cuántico de los exponentes de Lyapunov, que miden la imprevisibilidad en los sistemas caóticos clásicos.
«La rapidez con la que aumenta una OTOC a lo largo del tiempo indica la rapidez con la que se codifica la información en el sistema cuántico, lo que significa a cuántos estados más de apariencia aleatoria se accede», dijo. Martín Gruebelequímico de Illinois Urbana-Champaign y coautor del estudio, que forma parte de la asociación Rice-Illinois Centro para adaptar los fracasos como recursos financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. “Los químicos están muy en conflicto con la confusión en las reacciones químicas, porque la confusión es necesaria para lograr el objetivo de la reacción, pero también interfiere con el control sobre la reacción.
“Comprender bajo qué circunstancias las moléculas codifican información y bajo qué circunstancias potencialmente no lo hacen nos da una idea de cómo podemos controlar mejor las reacciones. Conocer los OTOC básicamente nos permite establecer límites sobre cuándo esta información realmente está desapareciendo de nuestro control y, a la inversa, cuándo todavía podemos aprovecharla para obtener resultados controlados”.
En la mecánica clásica, una partícula debe tener suficiente energía para superar una barrera energética para que se produzca una reacción. Sin embargo, en la mecánica cuántica existe la posibilidad de que las partículas puedan «hacer un túnel» a través de esta barrera incluso si no tienen suficiente energía. El cálculo de los OTOC mostró que las reacciones químicas con baja energía de activación a bajas temperaturas, donde predomina el efecto túnel, pueden alterar la información casi hasta el límite cuántico, como un agujero negro.
Nancy MacriTambién química en Illinois Urbana-Champaign, utilizó métodos de integral de trayectoria que desarrolló para estudiar lo que sucede cuando el modelo de reacción química simple se incorpora a un sistema más grande, que podrían ser las vibraciones de la molécula grande misma o de un solvente, y tiende a suprimir movimiento caótico.
«En otro estudio, descubrimos que los entornos grandes tienden a hacer que las cosas sean más regulares y a suprimir los efectos de los que estamos hablando», dijo Makri. «Así que calculamos el OTOC para un sistema de túneles que interactúa con un entorno grande, y lo que vimos fue que el desorden desapareció: un gran cambio en el comportamiento».
Un área de aplicación práctica de los resultados de la investigación es establecer límites sobre cómo se pueden utilizar los sistemas de túneles para construir qubits para computadoras cuánticas. Es necesario minimizar la confusión de información entre sistemas de túneles que interactúan para mejorar la confiabilidad de las computadoras cuánticas. La investigación también podría ser relevante para las reacciones provocadas por la luz y el diseño de materiales avanzados.
“Existe la posibilidad de extender estas ideas a procesos en los que no sólo se crearía un túnel en una reacción específica, sino que tendrían múltiples pasos de túnel, porque eso es lo que implica, por ejemplo, la conducción de electrones en muchos de los nuevos sistemas blandos. tecnologías. Materiales cuánticos como las perovskitas que se utilizan para fabricar células solares y cosas así”, dijo Gruebele.
Wolynes es profesor de ciencias de la Fundación DR Bullard-Welch en Rice, profesor de química, bioquímica y biología celular, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería, y codirector de su Centro de Física Biológica Teórica, que está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. Coautores Gruebele es catedrático de química James R. Eiszner; Makri es profesor Edward William y Jane Marr Gutgsell y profesor de Química y Física; Chenghao Zhang fue estudiante de posgrado en física en Illinois Urbana-Champaign y ahora es becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico; Es Sohang Kundu Recientemente recibió su doctorado en química de la Universidad de Illinois y actualmente es becario postdoctoral en la Universidad de Columbia.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (1548562, 2019745, 1955302) y la Cátedra Bullard-Welch en Rice (C-0016).
- Artículo revisado por pares: “Codificación de información cuántica y reacciones químicas” | Anales de la Academia Nacional de Ciencias | DOI: 10.1073/pnas.2321668121
Autores: Chenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele y Peter Wolynes
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PIE DE LEYENDA: El teórico Peter Wolynes de la Universidad Rice y sus colaboradores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han demostrado que las moléculas pueden ser tan formidables a la hora de mezclar información cuántica como los agujeros negros. (Imagen cortesía de Martin Gruebele; se utilizó DeepAI en la producción de imágenes)https://news-network.rice.edu/news/files/2024/04/Wolynes_Makri_Gruebele-3e4286b5ec5ad9fc.jpg
PIE DE LEYENDA: Peter Wolynes (desde la izquierda), Nancy Makri y Martin Gruebele (Foto de Wolynes por Gustavo Raskosky/Universidad de Rice; foto de Makri cortesía de Nancy Makri; foto de Gruebele por Fred Zwicky/Universidad de Illinois Urbana-Champaign)https://news-network.rice.edu/news/files/2024/04/Zhang_Kundu-66fa4d09a6f863a9.jpg
PIE DE LEYENDA: Chenghao Zhang (izquierda) y Sohang Kundu (Foto de Zhang por Bill Wiegand/Universidad de Illinois Urbana-Champaign; foto de Kundu cortesía de Sohang Kundu)
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La teoría puede separar el orden del caos en sistemas cuánticos complejos:
https://news.rice.edu/news/2023/theory-can-sort-order-chaos-complex-quantum-systemsEl simulador cuántico de Rice Lab ofrece nuevos conocimientos:
https://news.rice.edu/news/2022/rice-labs-quantum-simulator-delivers-new-insightNSF renueva el Centro de Física Biológica del Arroz:
https://news.rice.edu/news/2020/nsf-renews-rice-biological-physics-center - Enlaces:
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Centro para la adaptación al fracaso como recursos: https://nsfcaff.org/
Laboratorio Gruebele: https://gruebele-group.chemistry.illinois.edu/
Colaboración en investigación en biociencias: https://brc.rice.edu/
Centro de Física Biológica Teórica: https://ctbp.rice.edu/
Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular: https://chbe.rice.edu/
Departamento de quimica: https://química.rice.edu/
Departamento de Física y Astronomía: https://física.rice.edu/
Escuela de Ingeniería George R. Brown: https://ingeniería.rice.edu
Instituto Ken Kennedy: https://kenkennedy.rice.edu/
Facultad de Ciencias Naturales Wiess: https://naturalsciences.rice.edu
Laboratorio de Investigación Wolynes: https://wolynes.rice.edu/
Grupo Macri: http://makri.scs.illinois.edu/
Departamento de Química, Universidad de Illinois: https://química.illinois.edu/
