萊斯大學和伊利諾大學香檳分校的研究表明，分子可以像黑洞一樣有效地擾亂量子訊息，這對化學物理和量子計算具有重要意義。如果我們把瓶中的資訊丟進黑洞，其中的所有訊息，直到量子層面，都會被完全攪亂。由於在量子力學允許的範圍內，黑洞中的這種擾亂發生得既快又徹底，因此黑洞通常被認為是自然界的終極資訊擾亂器。

然而，萊斯大學理論家彼得-沃林（Peter Wolynes）和伊利諾大學香檳分校的合作者的最新研究表明，分子在擾亂量子資訊方面可以像黑洞一樣強大。他們結合黑洞物理學和化學物理學的數學工具，證明量子資訊擾亂發生在化學反應中，幾乎可以達到與黑洞相同的量子力學極限。這項研究成果已線上發表在《美國國家科學院院刊》。

Wolynes 說：「這項研究解決了化學物理學中一個長期存在的問題，即量子資訊在分子中的擾亂速度有多快。當人們考慮兩個分子結合在一起的反應時，他們認為原子只進行單一的運動，即形成一個鍵或斷開一個鍵。運動方式–我們稱之為量子態。

張成浩（左）和Sohang Kundu。圖片來源：Bill Wiegand/伊利諾大學香檳分校提供的張成浩照片；Sohang Kundu 提供的Kundu 照片

為了更好地理解量子資訊是如何在化學反應中被擾亂的，科學家借用了一種通常用於黑洞物理學的數學工具，即時序外相關器（OTOCs）。

“OTOC 實際上是在55 年前的一個非常不同的背景下發明的，當時它們被用來研究超導體中的電子如何受到雜質幹擾的影響，”Wolynes 說。 “它們是超導理論中使用的一種非常特殊的物體。接下來，物理學家在20 世紀90 年代研究黑洞和弦理論時也使用了它們。”

OTOCs測量的是在某一時刻對量子系統的某一部分進行調整會對其他部分的運動產生多大影響–讓人們深入了解訊息在整個分子中傳播的速度和效率。它們是萊普諾夫指數的量子類似物，萊普諾夫指數用於測量經典混沌系統的不可預測性。

伊利諾大學香檳分校的化學家馬丁-格魯貝萊（Martin Gruebele）是這項研究的合著者之一，他是美國國家科學基金會資助的萊斯-伊利諾伊聯合缺陷適應中心（Rice-Illinois Center for Adapting Flaws as Features）的成員。他介紹說：”化學家對化學反應中的擾動非常矛盾，因為要達到反應目標，擾動是必要的，但它也會擾亂對反應的控制。了解分子在什麼情況下會擾亂訊息，在什麼情況下不會擾亂訊息，可以讓我們更好地控制反應。來獲得可控的結果。

Peter Wolynes（左起）、Nancy Makri 與Martin Gruebele。圖片來源：Wolynes 的照片由Gustavo Raskosky/萊斯大學提供；Makri 的照片由Nancy Makri 提供；Gruebele 的照片由Fred Zwicky/伊利諾大學香檳分校提供。

在經典力學中，粒子必須具有足夠的能量來克服能量障礙才能發生反應。然而，在量子力學中，即使粒子不具備足夠的能量，它們也有可能”穿隧”這一障礙。對OTOC 的計算表明，在低溫條件下，穿隧占主導地位的低活化能化學反應幾乎可以在量子極限上擾亂訊息，就像黑洞一樣。

南希-馬克里（Nancy Makri）也是伊利諾伊香檳分校的化學家，她利用自己開發的路徑積分法研究了當簡單的化學反應模型嵌入一個更大的系統（可能是大分子本身的振動或溶劑）時會發生什麼情況，並傾向於抑制混沌運動。

Makri說：”在另一項研究中，我們發現大環境往往會讓事情變得更有規律，並抑制我們所說的影響。因此，我們計算了與大環境相互作用的隧道系統的OTOC，我們看到的是，擾動被熄滅了–行為發生了很大變化。

研究成果的一個實際應用領域是限制如何利用隧道系統建構量子電腦的量子位元。我們需要盡量減少相互作用的穿隧系統之間的資訊幹擾，以提高量子電腦的可靠性。這項研究也與光驅動反應和先進材料設計有關。

Gruebele說：「我們有可能將這些想法擴展到這樣的過程：在這樣的過程中不會只在一個特定的反應中進行穿隧，而是會有多個穿隧步驟，因為這就是涉及到電子傳導的過程，例如，許多新型軟量子材料，如用於製造太陽能電池和類似材料的過氧化物。

編譯來源：ScitechDaily