Efeitos do buraco negro na informação quântica descoberta na química cotidiana: WebCuriosos
Nada bagunça mais a física quântica do que aquelas abominações que distorcem o espaço e destroem a matéria, conhecidas como buracos negros. Se você quiser transformar os ovos de Schrodinger em uma omelete informativa, basta encontrar um horizonte de eventos e deixá-los cair.
De acordo com físicos teóricos e químicos da Universidade Rice e da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, nos EUA, a química básica é capaz de embaralhar informações quânticas com quase a mesma eficácia.
A equipe usou um ferramenta matemática desenvolvido há mais de meio século para preencher uma lacuna entre a física semiclássica conhecida e os efeitos quânticos na supercondutividade. Eles descobriram que os delicados estados quânticos das partículas reagentes ficam embaralhados com uma velocidade e eficiência surpreendentes que se aproximam da força de um buraco negro.
“Este estudo aborda um problema de longa data na física química, que tem a ver com a questão de quão rápido a informação quântica é embaralhada nas moléculas,” diz O teórico da física da Rice University, Peter Wolynes.
“Quando as pessoas pensam em uma reação onde duas moléculas se unem, elas pensam que os átomos realizam apenas um único movimento onde uma ligação é feita ou uma ligação é quebrada.”
Por trás dos modelos clássicos de 'bola e bastão', de átomos unidos em moléculas, está um universo muito mais complexo que tem mais em comum com a matemática do jogo do que com a engenharia.
Num cenário quântico, os estados de possibilidade podem aumentar e diminuir como as probabilidades num jogo de póquer, à medida que os destinos das partículas se entrelaçam. Cada reviravolta na reação – cada novo elétron, cada próton adicionado – vira uma nova carta que muda as apostas de maneiras sutis, mas críticas.
Ao contrário dos eventos de tudo ou nada da física clássica, onde as partículas se ligam ou saltam com base em medidas suficientes de energia, os estados quânticos envolvem elementos de acaso que podem fazer com que barreiras sejam rompidas sem que sejam pagos pedágios.
Conhecidos como tunelamento, esses violadores quânticos podem dificultar ainda mais o mapeamento da evolução dos estados quânticos. O que começa como uma boa aposta rapidamente se torna uma bagunça caótica que depende de inúmeros fatores para ser entendida.
Um método de quebrar as pequenas mudanças que definem caos quântico emprega algo chamado correlacionadores de ordem fora do tempo, ou OTOCs. Inicialmente desenvolvidos para modelar a supercondutividade na década de 1960, eles voltaram décadas depois para dar sentido à forma como a informação se espalha nos buracos negros.
“A rapidez com que um OTOC aumenta com o tempo indica a rapidez com que as informações estão sendo embaralhadas no sistema quântico, o que significa quantos mais estados aleatórios estão sendo acessados”, diz O químico de Illinois Urbana-Champaign, Martin Gruebele.
Os cálculos da equipa demonstraram que o tunelamento é mais provável de ocorrer entre grupos confinados de partículas que requerem pouca energia para reagir, especialmente quando são mantidos a uma temperatura suficientemente baixa.
Na verdade, essa tendência de surgimento de tunelamento em tais reações instáveis pode embaralhar informações quânticas em uma escala de tempo de subpicossegundos. Isso está próximo dos buracos negros, que são os verdadeiros mestres em pegar estados quânticos e misturá-los em uma polpa insípida.
Curiosamente, quando essas mesmas reações ocorrem num ambiente mais real – como uma solução volumosa ou uma sopa biológica de materiais – o mesmo comportamento de embaralhamento é “apagado“.
Espera-se que, ao encontrar as ferramentas certas para mapear o caos quântico em nível químico, os engenheiros possam ser capazes de ajustar os materiais para minimizar o tunelamento onde não é desejado, ou controlá-lo para aplicações inovadoras.
“Há potencial para estender essas ideias a processos onde você não estaria apenas escavando um túnel em uma reação específica, mas onde você teria múltiplas etapas de escavação”, disse Gruebele. diz“porque é isso que está envolvido, por exemplo, na condução de elétrons em muitos dos novos materiais quânticos moles, como perovskitas, que estão sendo usados para fazer células solares e coisas assim.”
Esta pesquisa foi publicada em PNAS.