Молекулы в роли черных дыр: новые чемпионы по уничтожению квантовой информации

Загадочные черные дыры, способные поглощать даже саму материю, считаются самыми грозными разрушителями квантовой информации. Однако, как выяснили ученые из Университета Райса и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США), обычные химические реакции так же успешно с этим справляются.

Исследователи применили математический метод, разработанный более полувека назад для описания квантовых процессов в сверхпроводниках. Этот подход, известный как коррелятор вневременного порядка (OTOC), позволил понять, как быстро квантовая информация теряется во время химических превращений на уровне отдельных молекул.

Оказалось, что ключевую роль в этом процессе играет квантовое туннелирование — способность частиц проникать сквозь потенциальные барьеры, не имея достаточной энергии для их преодоления. Это приводит к непредсказуемым, хаотическим изменениям квантовых состояний, напоминающим «перетасовку карт» в игре.

«Когда мы думаем о химической реакции, где две молекулы соединяются, нам кажется, что атомы просто образуют или разрывают связи, — говорит физик-теоретик Питер Волинз из Университета Райса. — Но за этой классической картиной скрывается намного более сложная квантовая реальность».

Ученые обнаружили, что туннелирование наиболее вероятно в замкнутых группах частиц с низким энергетическим барьером, особенно при низкой температуре. В таких условиях квантовая информация теряется всего за доли пикосекунды — сравнимо со скоростью, характерной для черных дыр.

Однако в более сложных условиях, например в растворах или биологических средах, этот процесс затухает. Причина в том, что частицы подвергаются многочисленным столкновениям и взаимодействиям, которые подавляют квантовое туннелирование.

«Можно распространить эти идеи на более сложные процессы, где происходит не единичное, а множественное квантовое туннелирование, — отметил химик Мартин Груэбель из Университета Иллинойса. — Это важно, например, для описания электронной проводимости в новых квантовых материалах, вроде перовскитов, используемых в солнечных элементах».

Ученые надеются, что понимание механизмов квантового хаоса в химии поможет инженерам контролировать туннелирование — подавляя его, где это нежелательно, и используя там, где оно может принести пользу.