Физики и химики Университета Райса и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне в США обнаружили, что некоторые химические реакции могут быть идеальными квантовыми шифраторами, подобными черной дыре. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Ученые воспользовались математическим инструментом, называемым корреляторами, аномально упорядоченными во времени (англ. out-of-time-order correlators или OTOC) и рассматриваемыми как мера квантового хаоса. OTOC были изобретены 55 лет назад для вычисления, как на электроны в сверхпроводниках влияют возмущения, вызванные примесями. Это влияние подобно «эффекту взмаха крыла бабочки», который математик Эдвард Лоренц использовал для иллюстрации хаоса в атмосферных системах. OTOC позволяет оценить, как быстро квантовая система перестает быть предсказуемой при самом незначительном отклонении от прежней ее траектории.
В 1990-х OTOC использовались для моделирования того, что происходит с информацией, попадающей в черную дыру. Считается, что черные дыры являются идеальными шифраторами, поскольку вся попадающая в них информация равномерно размывается по горизонту событий, существуя в виде незначительных поверхностных колебаний. То же самое происходит в случае химических реакций: информация о квантовых состояниях реагентов шифруется в том, как протекает эта реакция, и влияет на ее скорость.
В новой работе было показано, что шифрование информации в определенных типах реакций может быть почти таким же быстрым, как в черной дыре. В классической механике частица должна иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть энергетический барьер и запустить реакцию. Однако квантовая механика допускает вероятность того, что частица туннелирует через барьер, даже если она не обладает достаточной энергией. Расчет OTOC показал, что химические реакции с низкой энергией активации при низких температурах, в которых доминирует туннелирование, информация шифруется с той же предельной скоростью, что и в черной дыре.
Большие среды, в которых протекают химические реакции, подавляют этот эффект. Это имеет значение для создания надежных квантовых компьютеров, в которых нужно минимизировать шифрование информации между взаимодействующими туннельными системами.