化学反应可以扰乱量子信息和黑洞

如果你把一个瓶子里的信息扔进黑洞，里面的所有信息，直到量子水平，都会被完全打乱。因为在黑洞中，这种扰乱在量子力学允许的范围内发生得尽可能快和彻底，所以它们通常被认为是自然界的终极信息扰乱者。

然而，莱斯大学理论家彼得·沃林斯（Peter Wolynes）和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的合作者的新研究表明，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，他们表明量子信息加扰发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。该研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。

“这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，这与量子信息在分子中被打乱的速度有关，”Wolynes说。“当人们想到两个分子聚集在一起的反应时，他们认为原子只执行一个单一的运动，即键被形成或键断裂。

“但从量子力学的角度来看，即使是非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子具有大量可能的运动方式⎯我们称之为量子态的东西。当化学反应发生时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱如何影响反应速率。

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，称为时序不规则相关器（OTOC）。

“OTOC实际上是在大约55年前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。“它们是一个非常特殊的物体，用于超导理论。1990年代，物理学家在研究黑洞和弦理论时使用了它们。

OTOC 测量在某个时刻调整量子系统的一部分将如何影响其他部分的运动⎯ 深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是李雅普诺夫指数的量子模拟，用于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，量子系统中信息被打乱的速度有多快，这意味着有多少随机状态被访问，”伊利诺伊州厄巴纳 – 香槟的化学家Martin Gruebele说，该研究的合著者是赖斯 – 伊利诺伊州联合中心的一部分，由国家科学基金会资助。“化学家们对化学反应的加扰非常矛盾，因为加扰是达到反应目标的必要条件，但它也扰乱了你对反应的控制。

“了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下它们不会，这让我们能够更好地控制反应。了解 OTOC 基本上可以让我们对这些信息何时真正脱离我们的控制而消失设置限制，相反，我们何时仍然可以利用它来获得可控的结果。

在经典力学中，粒子必须有足够的能量来克服能量势垒才能发生反应。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“穿过”这个屏障。OTOC的计算表明，在隧道占主导地位的低温下，具有低活化能的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）也是伊利诺伊州厄巴纳-香槟大学的化学家，她使用她开发的路径积分方法来研究当简单的化学反应模型嵌入到更大的系统中时会发生什么，该系统可能是大分子自身的振动或溶剂，并且倾向于抑制混沌运动。

“在另一项研究中，我们发现大型环境往往会使事情变得更加规律，并抑制我们正在谈论的影响，”Makri说。“因此，我们计算了与大型环境交互的隧道系统的 OTOC，我们看到的是，加扰被淬灭了⎯行为发生了很大的变化。”

研究结果的一个实际应用领域是限制如何使用隧道系统为量子计算机构建量子比特。人们需要尽量减少交互隧道系统之间的信息扰乱，以提高量子计算机的可靠性。该研究还可能与光驱动反应和先进材料设计有关。

“有可能将这些想法扩展到你不仅在一个特定反应中隧穿的过程，而且你会有多个隧穿步骤，因为这就是所涉及的，例如，许多新的软量子材料中的电子传导，如钙钛矿，用于制造太阳能电池和类似的东西，“格鲁贝勒说。

Wolynes 是赖斯的 DR Bullard-Welch 基金会科学教授，化学、生物化学和细胞生物学、物理学和天文学以及材料科学和纳米工程教授，以及由美国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 化学捐赠主席;Makri 是 Edward William 和 Jane Marr Gutgsell 教授以及化学和物理学教授; 张成浩是伊利诺伊州厄巴纳-香槟分校的物理学研究生，现在是太平洋西北国家实验室的博士后;Sohang Kundu最近在伊利诺伊大学获得化学博士学位，目前在哥伦比亚大学做博士后。

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

同行评议论文： “量子信息加扰和化学反应” |美国国家科学院院刊 |DOI： 10.1073/pnas.2321668121

作者：Chenghao Zhang、Sohang Kundu、Nancy Makri、Martin Gruebele 和 Peter Wolynes

https://doi.org/10.1073/pnas.2321668121

图片下载：

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莱斯大学（Rice University）理论家彼得·沃林斯（Peter Wolynes）和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的合作者已经证明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。（图片由Martin Gruebele提供;DeepAI 用于图像制作）

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图片说明：Peter Wolynes（左起）、Nancy Makri 和 Martin Gruebele（Gustavo Raskosky/莱斯大学拍摄的 Wolynes 照片;Makri 照片由 Nancy Makri 提供;Gruebele 照片由 Fred Zwicky/伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校提供）

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图片说明：张成昊（左）和昆都索航（Bill Wiegand/伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校拍摄的张成昊照片;昆都照片由昆都索杭提供）

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美国国家科学基金会（NSF）更新赖斯生物物理中心：
https://news.rice.edu/news/2020/nsf-renews-rice-biological-physics-center

链接：

将缺陷作为特征的适应中心：https://nsfcaff.org/
格鲁贝勒实验室：https://gruebele-group.chemistry.illinois.edu/
生物科学研究合作组织：https://brc.rice.edu/
理论生物物理中心：https://ctbp.rice.edu/
化学与生物分子工程系：https://chbe.rice.edu/
化学系：https://chemistry.rice.edu/
物理与天文学系：https://physics.rice.edu/
乔治·布朗工程学院：https://engineering.rice.edu
肯尼迪研究所：https://kenkennedy.rice.edu/
威斯自然科学学院：https://naturalsciences.rice.edu
Wolynes研究实验室：https://wolynes.rice.edu/
Makri集团：http://makri.scs.illinois.edu/
伊利诺伊大学化学系：https://chemistry.illinois.edu/