Chemische Reaktionen können sowohl Quanteninformationen als auch Schwarze Löcher durcheinander bringen

Wenn man eine Flaschenpost in ein Schwarzes Loch werfen würde, würden alle darin enthaltenen Informationen bis hin zur Quantenebene völlig durcheinander geraten. Denn in Schwarzen Löchern geschieht dieses Durcheinander so schnell und gründlich, wie es die Quantenmechanik zulässt. Sie gelten allgemein als die ultimativen Informationsverschlüsseler der Natur.

Neue Forschungen des Theoretikers Peter Wolynes von der Rice University und von Mitarbeitern an der University of Illinois Urbana-Champaign haben jedoch gezeigt, dass Moleküle bei der Vermischung von Quanteninformationen ebenso hervorragend sein können wie Schwarze Löcher.

Durch die Kombination mathematischer Werkzeuge aus der Schwarzlochphysik und der chemischen Physik haben sie gezeigt, dass bei chemischen Reaktionen eine Vermischung von Quanteninformationen stattfindet und nahezu die gleiche quantenmechanische Grenze erreichen kann wie bei Schwarzen Löchern. Die Arbeit ist veröffentlicht online im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Diese Studie befasst sich mit einem seit langem bestehenden Problem der chemischen Physik, das mit der Frage zu tun hat, wie schnell Quanteninformationen in Molekülen durcheinander gebracht werden“, sagte Wolynes. „Wenn Menschen an eine Reaktion denken, bei der zwei Moleküle zusammenkommen, denken sie, dass die Atome nur eine einzige Bewegung ausführen, bei der eine Bindung hergestellt oder gelöst wird.

„Aber aus quantenmechanischer Sicht ist selbst ein sehr kleines Molekül ein sehr kompliziertes System. Ähnlich wie die Umlaufbahnen im Sonnensystem verfügt ein Molekül über eine große Anzahl möglicher Bewegungsstile – Dinge, die wir Quantenzustände nennen. Wenn ein Wenn eine chemische Reaktion stattfindet, werden Quanteninformationen über die Quantenzustände der Reaktanten durcheinander gebracht, und wir wollen wissen, wie sich die Informationsvermischung auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt.“

Um besser zu verstehen, wie Quanteninformationen bei chemischen Reaktionen durcheinander gebracht werden, haben sich die Wissenschaftler ein mathematisches Werkzeug ausgeliehen, das typischerweise in der Physik Schwarzer Löcher verwendet wird und als Out-of-Time-Order-Korrelatoren (OTOCs) bekannt ist.

„OTOCs wurden tatsächlich vor etwa 55 Jahren in einem ganz anderen Kontext erfunden, als sie dazu dienten, zu untersuchen, wie Elektronen in Supraleitern durch Störungen durch eine Verunreinigung beeinflusst werden“, sagte Wolynes. „Sie sind ein sehr spezielles Objekt, das in der Theorie der Supraleitung verwendet wird. Das nächste Mal wurden sie in den 1990er Jahren von Physikern verwendet, die sich mit Schwarzen Löchern und der Stringtheorie beschäftigten.“

OTOCs messen, wie stark sich die Veränderung eines Teils eines Quantensystems zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die Bewegungen der anderen Teile auswirkt – und geben Aufschluss darüber, wie schnell und effektiv sich Informationen im gesamten Molekül verbreiten können. Sie sind das Quantenanalogon der Lyapunov-Exponenten, die die Unvorhersehbarkeit in klassischen chaotischen Systemen messen.

„Wie schnell ein OTOC mit der Zeit zunimmt, sagt aus, wie schnell Informationen im Quantensystem durcheinander gebracht werden, was bedeutet, auf wie viele weitere zufällig aussehende Zustände zugegriffen wird“, sagte Martin Gruebele, Chemiker am Illinois Urbana-Champaign und Co-Autor des Buches Studie. „Unter Chemikern herrscht bei chemischen Reaktionen große Uneinigkeit, wenn es um das Durcheinander geht, denn das Durcheinander ist notwendig, um zum Reaktionsziel zu gelangen, aber es beeinträchtigt auch die Kontrolle über die Reaktion.“

„Wenn wir verstehen, unter welchen Umständen Moleküle Informationen verschlüsseln und unter welchen Umständen nicht, können wir die Reaktionen tatsächlich besser kontrollieren. Wenn wir OTOCs kennen, können wir im Grunde Grenzen dafür setzen, wann diese Informationen tatsächlich außerhalb unserer Kontrolle verschwinden.“ und umgekehrt, wenn wir es noch nutzen könnten, um kontrollierte Ergebnisse zu erzielen.“

In der klassischen Mechanik muss ein Teilchen über genügend Energie verfügen, um eine Energiebarriere zu überwinden, damit eine Reaktion stattfinden kann. Allerdings besteht in der Quantenmechanik die Möglichkeit, dass Teilchen durch diese Barriere „tunneln“ können, auch wenn sie nicht über ausreichend Energie verfügen. Die Berechnung von OTOCs zeigte, dass chemische Reaktionen mit einer niedrigen Aktivierungsenergie bei niedrigen Temperaturen, bei denen der Tunneleffekt vorherrscht, Informationen nahezu an der Quantengrenze vermischen können, wie ein Schwarzes Loch.

Nancy Makri, ebenfalls Chemikerin am Illinois Urbana-Champaign, nutzte von ihr entwickelte Pfadintegralmethoden, um zu untersuchen, was passiert, wenn das einfache chemische Reaktionsmodell in ein größeres System eingebettet wird, bei dem es sich um die Eigenschwingungen eines großen Moleküls oder ein Lösungsmittel handeln könnte, und um Tendenzen um chaotische Bewegungen zu unterdrücken.

„In einer separaten Studie haben wir herausgefunden, dass große Umgebungen dazu neigen, die Dinge regelmäßiger zu machen und die Effekte, über die wir sprechen, zu unterdrücken“, sagte Makri. „Also haben wir den OTOC für ein Tunnelsystem berechnet, das mit einer großen Umgebung interagiert, und was wir sahen, war, dass die Störung unterdrückt wurde – eine große Verhaltensänderung.“

Ein praktischer Anwendungsbereich der Forschungsergebnisse besteht darin, Grenzen für die Verwendung von Tunnelsystemen zum Aufbau von Qubits für Quantencomputer festzulegen. Um die Zuverlässigkeit von Quantencomputern zu verbessern, muss die Informationsvermischung zwischen interagierenden Tunnelsystemen minimiert werden. Die Forschung könnte auch für lichtgesteuerte Reaktionen und fortschrittliches Materialdesign relevant sein.

„Es besteht die Möglichkeit, diese Ideen auf Prozesse auszudehnen, bei denen nicht nur in einer bestimmten Reaktion getunnelt wird, sondern bei denen mehrere Tunnelschritte erforderlich sind, da dies beispielsweise bei der Elektronenleitung in vielen neuen weichen Stoffen eine Rolle spielt.“ Quantenmaterialien wie Perowskite, die zur Herstellung von Solarzellen und dergleichen verwendet werden“, sagte Gruebele.