Reaksi Kimia Menyaingi Lubang Hitam

Penelitian dari Rice University dan University of Illinois Urbana-Champaign telah menunjukkan bahwa molekul dapat mengacak informasi kuantum seefektif lubang hitam, yang berimplikasi pada fisika kimia dan komputasi kuantum.

Jika Anda melempar pesan ke dalam botol ke dalam a lubang hitamsemua informasi di dalamnya, hingga tingkat kuantum, akan diacak sepenuhnya. Karena dalam lubang hitam pengacakan ini terjadi secepat dan selengkap yang dimungkinkan oleh mekanika kuantum, lubang hitam umumnya dianggap sebagai pengacak informasi utama di alam.

Namun, penelitian baru dari ahli teori Rice University, Peter Wolynes dan kolaborator di Universitas Illinois Urbana-Champaign, telah menunjukkan bahwa molekul bisa sama tangguhnya dalam mengacak informasi kuantum seperti lubang hitam. Menggabungkan alat matematika dari fisika lubang hitam dan fisika kimia, mereka telah menunjukkan bahwa pengacakan informasi kuantum terjadi dalam reaksi kimia dan hampir dapat mencapai batas mekanika kuantum yang sama seperti yang terjadi pada lubang hitam. Karya ini dipublikasikan secara online di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.

Reaksi Kimia dan Pengacakan Kuantum

“Studi ini membahas masalah lama dalam fisika kimia, yang berkaitan dengan pertanyaan tentang seberapa cepat informasi kuantum diacak dalam molekul,” kata Wolynes. “Saat orang berpikir tentang reaksi ketika dua molekul bersatu, mereka mengira atom hanya melakukan satu gerakan saat ikatan dibuat atau ikatan diputus.

“Tetapi dari sudut pandang mekanika kuantum, bahkan molekul yang sangat kecil pun merupakan sistem yang sangat rumit. Sama seperti orbit di tata surya, sebuah molekul memiliki sejumlah besar kemungkinan gaya gerak ⎯ yang kita sebut keadaan kuantum. Ketika reaksi kimia terjadi, informasi kuantum tentang keadaan kuantum reaktan menjadi acak, dan kami ingin mengetahui bagaimana pengacakan informasi mempengaruhi laju reaksi.”

Untuk lebih memahami bagaimana informasi kuantum diacak dalam reaksi kimia, para ilmuwan meminjam alat matematika yang biasanya digunakan dalam fisika lubang hitam yang dikenal sebagai korelator out-of-time-order, atau OTOCs.

“OTOC sebenarnya ditemukan dalam konteks yang sangat berbeda sekitar 55 tahun yang lalu, ketika mereka digunakan untuk melihat bagaimana elektron dalam superkonduktor dipengaruhi oleh gangguan dari pengotor,” kata Wolynes. “Mereka adalah objek yang sangat terspesialisasi yang digunakan dalam teori superkonduktivitas. Mereka selanjutnya digunakan oleh fisikawan pada tahun 1990an untuk mempelajari lubang hitam dan teori string.”

OTOC mengukur seberapa banyak perubahan pada satu bagian sistem kuantum pada suatu waktu akan mempengaruhi pergerakan bagian lainnya ⎯ memberikan wawasan tentang seberapa cepat dan efektif informasi dapat menyebar ke seluruh molekul. Mereka adalah analog kuantum dari eksponen Lyapunov, yang mengukur ketidakpastian dalam sistem chaos klasik.

“Seberapa cepat peningkatan OTOC seiring berjalannya waktu menunjukkan seberapa cepat informasi diacak dalam sistem kuantum, yang berarti berapa banyak lagi keadaan acak yang diakses,” kata Martin Gruebele, ahli kimia di Illinois Urbana-Champaign dan salah satu penulis makalah ini. studi yang merupakan bagian dari Pusat Adaptasi Cacat sebagai Fitur Rice-Illinois yang didanai oleh National Science Foundation. “Ahli kimia sangat berkonflik mengenai pengacakan dalam reaksi kimia, karena pengacakan diperlukan untuk mencapai tujuan reaksi, namun hal ini juga mengacaukan kendali Anda terhadap reaksi.

“Memahami dalam keadaan apa molekul mengacak informasi dan dalam keadaan apa mereka tidak berpotensi memberi kita pegangan untuk benar-benar mampu mengendalikan reaksi dengan lebih baik. Mengetahui OTOC pada dasarnya memungkinkan kita untuk menetapkan batasan kapan informasi ini benar-benar hilang di luar kendali kita dan sebaliknya kapan kita masih dapat memanfaatkannya untuk mendapatkan hasil yang terkendali.”

Dalam mekanika klasik, sebuah partikel harus mempunyai energi yang cukup untuk mengatasi penghalang energi agar suatu reaksi dapat terjadi. Namun, dalam mekanika kuantum, ada kemungkinan bahwa partikel dapat “menembus” penghalang ini meskipun mereka tidak memiliki energi yang cukup. Perhitungan OTOCs menunjukkan bahwa reaksi kimia dengan energi aktivasi rendah pada suhu rendah di mana terowongan mendominasi dapat mengacak informasi hampir pada batas kuantum, seperti lubang hitam.

Nancy Makri, juga seorang ahli kimia di Illinois Urbana-Champaign, menggunakan metode integral jalur yang telah ia kembangkan untuk mempelajari apa yang terjadi ketika model reaksi kimia sederhana tertanam dalam sistem yang lebih besar, yang dapat berupa getaran molekul besar atau pelarut, dan cenderung untuk menekan gerakan kacau.

“Dalam studi terpisah, kami menemukan bahwa lingkungan yang luas cenderung membuat segala sesuatunya menjadi lebih teratur dan menekan dampak yang sedang kita bicarakan,” kata Makri. “Jadi kami menghitung OTOC untuk sistem terowongan yang berinteraksi dengan lingkungan besar, dan apa yang kami lihat adalah bahwa pengacakan telah berhasil dipadamkan ⎯ perubahan besar dalam perilakunya.”

Aplikasi Praktis dan Penelitian Masa Depan

Salah satu bidang penerapan praktis dari temuan penelitian ini adalah untuk membatasi bagaimana sistem terowongan dapat digunakan untuk membangun qubit untuk komputer kuantum. Kita perlu meminimalkan perebutan informasi antara sistem terowongan yang saling berinteraksi untuk meningkatkan keandalan komputer kuantum. Penelitian ini juga relevan untuk reaksi yang digerakkan oleh cahaya dan desain material tingkat lanjut.

“Ada potensi untuk memperluas ide-ide ini ke proses yang tidak hanya melakukan penerowongan dalam satu reaksi tertentu, namun juga beberapa langkah penerowongan, karena itulah yang terlibat, misalnya, konduksi elektron dalam banyak reaksi lunak baru. bahan kuantum seperti perovskit yang digunakan untuk membuat sel surya dan sejenisnya,” kata Gruebele.

Referensi: “Pengacakan informasi kuantum dan reaksi kimia” oleh Chenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele dan Peter G. Wolynes, 1 April 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2321668121

Wolynes adalah Profesor Sains dari Rice’s DR Bullard-Welch Foundation, seorang profesor kimia, biokimia dan biologi sel, fisika dan astronomi serta ilmu material dan rekayasa nano dan salah satu direktur Pusat Fisika Biologi Teoretis, yang didanai oleh National Science Dasar. Rekan penulis Gruebele adalah James R. Eiszner Endowed Chair bidang Kimia; Makri adalah Profesor Edward William dan Jane Marr Gutgsell serta profesor kimia dan fisika; Chenghao Zhang adalah seorang mahasiswa pascasarjana di bidang fisika di Illinois Urbana-Champaign dan sekarang menjadi postdoc di Pacific Northwest National Lab; dan Sohang Kundu baru-baru ini menerima gelar Ph.D. dalam bidang kimia dari University of Illinois dan saat ini menjadi postdoc di Universitas Columbia.

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) dan Ketua Bullard-Welch di Rice (C-0016).