منوعات

يمكن للتفاعلات الكيميائية أن تشوش المعلومات الكمومية وكذلك الثقوب السوداء

إذا ألقيت رسالة في زجاجة داخل ثقب أسود، فإن جميع المعلومات الموجودة فيها، حتى المستوى الكمي، ستكون مشوشة تمامًا. لأن هذا التشويش يحدث في الثقوب السوداء بالسرعة الكاملة التي تسمح بها ميكانيكا الكم. تعتبر بشكل عام أفضل أجهزة تشويش المعلومات في الطبيعة.

ومع ذلك، فقد أظهر بحث جديد أجراه الباحث النظري في جامعة رايس بيتر وولينز ومعاونوه في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، أن الجزيئات يمكن أن تكون هائلة في خلط المعلومات الكمومية مثل الثقوب السوداء. ومن خلال الجمع بين الأدوات الرياضية من فيزياء الثقب الأسود والفيزياء الكيميائية، أظهروا أن تخليط المعلومات الكمومية يحدث في التفاعلات الكيميائية ويمكن أن يصل تقريبًا إلى نفس الحد الميكانيكي الكمي كما هو الحال في الثقوب السوداء. يتم نشر العمل على الانترنت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

وقال وولينيس: “تعالج هذه الدراسة مشكلة طويلة الأمد في الفيزياء الكيميائية، تتعلق بمعدل خلط المعلومات الكمومية في الجزيئات”. “عندما يفكر الناس في تفاعل يلتقي فيه جزيئين، فإنهم يفكرون في الذرات التي تقوم بحركة واحدة فقط يتم فيها تكوين رابطة أو كسر الرابطة.

“ولكن من وجهة نظر ميكانيكا الكم، حتى الجزيء الصغير جدًا يعد نظامًا معقدًا للغاية. تمامًا مثل مدارات النظام الشمسي، يحتوي الجزيء على عدد كبير من أنماط الحركة المحتملة – أشياء نسميها الحالات الكمومية. عندما تكون مادة كيميائية يحدث التفاعل، ويتم خلط المعلومات الكمومية حول الحالات الكمومية للمواد المتفاعلة، ونريد أن نعرف كيف يؤثر خلط المعلومات على معدل التفاعل.”

لفهم كيفية خلط المعلومات الكمومية في التفاعلات الكيميائية بشكل أفضل، استعار العلماء أداة رياضية تستخدم عادة في فيزياء الثقب الأسود، تسمى أدوات الارتباط خارج الزمن، أو OTOCs.

وقال وولينيس: “لقد تم اختراع OTOCs في الواقع في سياق مختلف تمامًا منذ حوالي 55 عامًا، عندما تم استخدامها لدراسة كيفية تأثر الإلكترونات في الموصلات الفائقة بالاضطرابات الناجمة عن الشوائب”. “إنها كائنات متخصصة جدًا تُستخدم في نظرية الموصلية الفائقة. وقد استخدمها الفيزيائيون لاحقًا في التسعينيات لدراسة الثقوب السوداء ونظرية الأوتار.”

تقيس OTOCs مدى تأثير تغيير جزء واحد من النظام الكمي في أي وقت على حركات الأجزاء الأخرى، مما يوفر نظرة ثاقبة حول مدى سرعة وكفاءة انتشار المعلومات عبر الجزيء. وهي النظير الكمي لأسس لابونوف، التي تقيس عدم القدرة على التنبؤ بالأنظمة الفوضوية الكلاسيكية.

قال مارتن جروبيل، الكيميائي في جامعة إلينوي أوربانا شامبين والمؤلف المشارك للدراسة: “مدى سرعة زيادة OTOC بمرور الوقت يخبرك بمدى سرعة خلط المعلومات في النظام الكمي، مما يعني عدد الحالات العشوائية التي يمكن الوصول إليها”. الدراسة التي تعد جزءًا من مركز رايس إلينوي المشترك لتكيف العيوب كصفات بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم. “الكيميائيون يعارضون بشدة موضوع التدخل في التفاعلات الكيميائية، لأن التدخل ضروري لتحقيق هدف التفاعل، ولكنه يعطل أيضًا سيطرتك على التفاعل.

“إن فهم الظروف التي تقوم فيها الجزيئات بخلط المعلومات وتحت أي ظروف من المحتمل ألا يسمح لنا بالتحكم في التفاعلات بشكل أفضل. إن معرفة OTOCs يسمح لنا بشكل أساسي بوضع حدود عندما تختفي هذه المعلومات فعليًا خارج نطاق سيطرتنا. والعكس صحيح، عندما لا يزال بإمكاننا استغلالها”. لتحقيق نتائج خاضعة للرقابة.

في الميكانيكا الكلاسيكية، يجب أن يمتلك الجسيم طاقة كافية للتغلب على حاجز الطاقة حتى يحدث التفاعل. ومع ذلك، في ميكانيكا الكم، من الممكن أن تتمكن الجسيمات من “المرور” عبر هذا الحاجز حتى لو لم يكن لديها ما يكفي من الطاقة. أظهرت حسابات OTOCs أن التفاعلات الكيميائية ذات طاقة التنشيط المنخفضة عند درجات حرارة منخفضة، حيث يهيمن النفق، يمكنها خلط المعلومات عند الحد الكمي تقريبًا، مثل الثقب الأسود.

استخدمت نانسي ماكري، وهي أيضًا كيميائية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين، طرق تكامل المسار التي طورتها لدراسة ما يحدث عندما يتم دمج نموذج التفاعل الكيميائي البسيط في نظام أكبر، والذي يمكن أن يكون عبارة عن اهتزازات خاصة بجزيء كبير أو مذيب. يميل إلى قمع الحركات الفوضوية.

وقال ماكري: “في دراسة منفصلة، ​​وجدنا أن البيئات الأكبر حجما تميل إلى جعل الأمور أكثر انتظاما وقمع التأثيرات التي نتحدث عنها”. “لذلك قمنا بحساب OTOC لنظام نفق يتفاعل مع بيئة كبيرة، وما وجدناه هو أن التداخل قد تم تخفيفه – وهو تغيير كبير في السلوك.”

أحد مجالات التطبيق العملي لنتائج البحث هو فرض حدود على كيفية استخدام أنظمة الأنفاق لإنشاء الكيوبتات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. يجب التقليل من تخليط المعلومات بين أنظمة الأنفاق المتفاعلة لتحسين موثوقية أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يمكن أن يكون البحث أيضًا ذا صلة بالتفاعلات المستحثة بالضوء وتصميم المواد المتقدمة.

“من الممكن توسيع هذه الأفكار لتشمل العمليات حيث لا يقتصر الأمر على مجرد نفق في تفاعل معين، ولكن حيث سيكون لديك مراحل متعددة من النفق، لأن هذا هو ما ينطوي عليه، على سبيل المثال، في التوصيل الإلكتروني في العديد من العمليات الناعمة الجديدة. وقال جروبيلي: “مواد مثل البيروفسكايت المستخدمة في صنع الخلايا الشمسية وأشياء من هذا القبيل”.

وولينيس هو أستاذ العلوم في مؤسسة دكتور بولارد ويلش في رايس، وأستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية والفيزياء وعلم الفلك وعلوم المواد وهندسة النانو، والمدير المشارك لمركز الفيزياء البيولوجية النظرية، الذي تموله National Science. مؤسسة. المؤلفون المشاركون Gruebele هو أستاذ الكيمياء في جيمس ر. إيزنر. ماكري هو أستاذ إدوارد ويليام وجين مار جوتجسيل وأستاذ الكيمياء والفيزياء. كان تشنغهاو تشانغ طالب دراسات عليا في الفيزياء في جامعة إلينوي أوربانا شامبين وهو الآن زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني. وحصل سوهانج كوندو مؤخرًا على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في الكيمياء من جامعة إلينوي وهو حاليًا زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة كولومبيا.

تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (1548562، 2019745، 1955302) وأستاذية بولارد ويلش في جامعة رايس (C-0016).

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى