量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应

莱斯大学和伊利诺伊大学香槟分校的研究表明，分子可以像黑洞一样有效地扰乱量子信息，这对化学物理和量子计算具有重要意义。如果我们把瓶中的信息扔进黑洞，其中的所有信息，直至量子层面，都会被完全搅乱。由于在量子力学允许的范围内，黑洞中的这种扰乱发生得既快又彻底，因此黑洞通常被认为是自然界的终极信息扰乱器。

然而，莱斯大学理论家彼得-沃林（Peter Wolynes）和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上 。

Wolynes 说："这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时，他们认为原子只进行单一的运动，即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"

张成浩（左）和 Sohang Kundu。图片来源：Bill Wiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片；Sohang Kundu 提供的 Kundu 照片

为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即时序外相关器（OTOCs）。

"OTOC 实际上是在 55 年前的一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，"Wolynes 说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来，物理学家在 20 世纪 90 年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"

OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物，莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。

伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱（Martin Gruebele）是这项研究的合著者之一，他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心（Rice-Illinois Center for Adapting Flaws as Features）的成员。他介绍说："化学家对化学反应中的扰动非常矛盾，因为要达到反应目标，扰动是必要的，但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下不会扰乱信息，可以让我们更好地控制反应。了解 OTOCs 基本上可以让我们设定限制，什么时候这种信息真的会消失，不受我们控制，反之，什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"

Peter Wolynes（左起）、Nancy Makri 和 Martin Gruebele。图片来源：Wolynes 的照片由 Gustavo Raskosky/莱斯大学提供；Makri 的照片由 Nancy Makri 提供；Gruebele 的照片由 Fred Zwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。

在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子不具备足够的能量，它们也有可能"隧穿"这一障碍。对 OTOC 的计算表明，在低温条件下，隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息，就像黑洞一样。

南希-马克里（Nancy Makri）也是伊利诺伊香槟分校的化学家，她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统（可能是大分子自身的振动或溶剂）时会发生什么情况，并倾向于抑制混沌运动。

Makri说："在另一项研究中，我们发现大环境往往会让事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。因此，我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的 OTOC，我们看到的是，扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"

研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰，以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。

Gruebele说："我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中：在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿，而是会有多个隧穿步骤，因为这就是涉及到电子传导的过程，例如，很多新型软量子材料，如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"