Sin embargo, una nueva investigación del teórico Peter Wolynes de la Universidad Rice y colaboradores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha demostrado que las moléculas pueden ser tan formidables a la hora de codificar información cuántica como los agujeros negros.

Combinando herramientas matemáticas de la física de los agujeros negros y la física química, han demostrado que la codificación de información cuántica tiene lugar en reacciones químicas y puede alcanzar casi el mismo límite de la mecánica cuántica que en los agujeros negros. El trabajo se publica en línea en las Proceedings of the National Academy of Sciences. .

"Este estudio aborda un problema de larga data en la física química, que tiene que ver con la cuestión de qué tan rápido se mezcla la información cuántica en las moléculas", dijo Wolynes. "Cuando la gente piensa en una reacción en la que dos moléculas se unen, piensan que los átomos solo realizan un movimiento en el que se forma o se rompe un enlace.

"Pero desde el punto de vista de la mecánica cuántica, incluso una molécula muy pequeña es un sistema muy complicado. Al igual que las órbitas del sistema solar, una molécula tiene una gran cantidad de estilos posibles de movimiento, cosas que llamamos estados cuánticos. Cuando una Cuando tiene lugar una reacción química, la información cuántica sobre los estados cuánticos de los reactivos se confunde y queremos saber cómo la codificación de la información afecta la velocidad de reacción".

Para comprender mejor cómo se mezcla la información cuántica en las reacciones químicas, los científicos tomaron prestada una herramienta matemática típicamente utilizada en la física de los agujeros negros, conocida como correlacionadores fuera del tiempo (OTOC).

"Los OTOC en realidad se inventaron en un contexto muy diferente hace unos 55 años, cuando se utilizaron para observar cómo los electrones en los superconductores se ven afectados por las perturbaciones de una impureza", dijo Wolynes. "Son un objeto muy especializado que se utiliza en la teoría de la superconductividad. Luego fueron utilizados por los físicos en la década de 1990 para estudiar los agujeros negros y la teoría de cuerdas".

Los OTOC miden en qué medida el ajuste de una parte de un sistema cuántico en algún instante afectará los movimientos de las otras partes, lo que proporciona información sobre la rapidez y eficacia con la que la información puede difundirse por toda la molécula. Son el análogo cuántico de los exponentes de Lyapunov, que miden la imprevisibilidad en sistemas caóticos clásicos.

"La rapidez con la que aumenta un OTOC con el tiempo indica la rapidez con la que se codifica la información en el sistema cuántico, es decir, a cuántos estados más aleatorios se accede", dijo Martin Gruebele, químico de Illinois Urbana-Champaign y coautor del estudio. estudiar. "Los químicos están muy en conflicto con la confusión en las reacciones químicas, porque la confusión es necesaria para llegar al objetivo de la reacción, pero también arruina el control sobre la reacción.

"Comprender bajo qué circunstancias las moléculas codifican información y bajo qué circunstancias no lo hacen potencialmente nos da una idea para poder controlar mejor las reacciones. Conocer los OTOC básicamente nos permite establecer límites sobre cuándo esta información realmente está desapareciendo de nuestro control. y a la inversa, cuando aún podríamos aprovecharlo para obtener resultados controlados".

En la mecánica clásica, una partícula debe tener suficiente energía para superar una barrera energética para que se produzca una reacción. Sin embargo, en la mecánica cuántica existe la posibilidad de que las partículas puedan "hacer un túnel" a través de esta barrera incluso si no poseen suficiente energía. El cálculo de los OTOC demostró que las reacciones químicas con una baja energía de activación a bajas temperaturas, donde dominan los túneles, pueden alterar la información casi hasta el límite cuántico, como un agujero negro.

Nancy Makri, también química de Illinois Urbana-Champaign, utilizó métodos de integral de trayectoria que desarrolló para estudiar qué sucede cuando el modelo de reacción química simple se integra en un sistema más grande, que podría ser las propias vibraciones de una molécula grande o un solvente, y tiende a para suprimir el movimiento caótico.

"En un estudio separado, encontramos que los ambientes grandes tienden a hacer que las cosas sean más regulares y a suprimir los efectos de los que estamos hablando", dijo Makri. "Así que calculamos el OTOC para un sistema de túneles que interactúa con un entorno grande, y lo que vimos fue que la confusión se apagó, un gran cambio en el comportamiento".

Un área de aplicación práctica de los hallazgos de la investigación es poner límites a cómo se pueden utilizar los sistemas de túneles para construir qubits para computadoras cuánticas. Es necesario minimizar la confusión de información entre sistemas de túneles que interactúan para mejorar la confiabilidad de las computadoras cuánticas. La investigación también podría ser relevante para las reacciones impulsadas por la luz y el diseño de materiales avanzados.

"Existe la posibilidad de extender estas ideas a procesos en los que no se haría simplemente un túnel en una reacción en particular, sino que tendrían múltiples pasos de túnel, porque eso es lo que está involucrado, por ejemplo, en la conducción de electrones en muchos de los nuevos materiales blandos. materiales cuánticos como las perovskitas que se utilizan para fabricar células solares y cosas así", dijo Gruebele.