La théorie peut trier l’ordre du chaos dans les systèmes quantiques complexes

Le mouvement n’est pas facile à comprendre à l’échelle quantique, mais une nouvelle théorie mathématique développée par des scientifiques de l’Université Rice et de l’Université d’Oxford peut aider – et peut fournir des informations pour améliorer une variété de systèmes informatiques, électrochimiques et biologiques.

Développée par le théoricien de Rice Peter Woolens et le chimiste théoricien d’Oxford David Logan, la théorie fait une prédiction simple du seuil auquel les grands systèmes quantiques passent d’un mouvement uniforme comme une horloge à un mouvement aléatoire et irrégulier comme les astéroïdes se déplaçant tôt dans le système solaire. À l’aide d’une analyse informatique du modèle de photosynthèse, des collaborateurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont montré que la théorie pouvait prédire la nature des mouvements d’une molécule de chlorophylle lorsqu’elle absorbe l’énergie de la lumière solaire.

La théorie s’applique à tout système quantique suffisamment complexe et peut donner un aperçu de la construction de meilleurs ordinateurs quantiques. Cela pourrait également, par exemple, aider à concevoir des fonctionnalités pour la prochaine génération de cellules solaires ou peut-être prolonger la durée de vie des batteries.

L’étude a été publiée cette semaine dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Rien n’est encore tout à fait au niveau moléculaire, surtout quand la physique quantique entre en jeu. La goutte d’eau scintillante sur le papier peut sembler immobile, mais à l’intérieur, plus de sextillions de molécules vibrent sans arrêt. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène et les particules subatomiques qu’ils contiennent – les noyaux et les électrons – se déplacent et interagissent constamment.

« Quand on pense aux mouvements de particules individuelles à l’échelle quantique, il y a souvent cette comparaison avec la façon dont nous pensons au système solaire », a déclaré Woollens. « Vous apprenez qu’il y a huit planètes dans notre système solaire, chacune avec une orbite bien définie. Mais en réalité, les orbites interagissent les unes avec les autres. Cependant, les orbites sont très prévisibles. Vous pouvez aller au planétarium, et elles ‘ Je vais vous montrer à quoi ressemblait le ciel il y a 2 000 ans. » Beaucoup de mouvements d’atomes dans les molécules sont exactement aussi réguliers ou dans le sens des aiguilles d’une montre. »

Lorsque Wolynes et Logan ont posé pour la première fois le problème de la prédiction de la régularité ou du caractère aléatoire du mouvement quantique, ils ont testé leurs mathématiques par rapport aux observations de mouvements vibrationnels dans des particules individuelles.

« Vous n’avez besoin de connaître que deux choses sur une molécule pour pouvoir analyser ses modèles de mouvement quantique », a déclaré Woolens. « Tout d’abord, vous devez connaître les fréquences vibrationnelles de leurs molécules, c’est-à-dire les fréquences auxquelles se produisent les vibrations qui sont comme des orbitales, et deuxièmement, comment ces vibrations interagissent les unes avec les autres de manière non linéaire. Ces interactions non harmoniques dépendent principalement de la masse de les atomes. Pour les molécules organiques, vous pouvez prédire à quel point ces orbites vibratoires interagissent les unes avec les autres.

Les choses se compliquent lorsque les molécules changent aussi radicalement de structure, par exemple à la suite d’une réaction chimique.

« Une fois que nous commençons à regarder des molécules qui réagissent chimiquement ou réarrangent leurs structures, nous savons qu’il y a au moins un élément d’imprévisibilité ou d’aléatoire dans le processus car, même en termes classiques, la réaction se produit ou ne se produit pas », a déclaré Wallens. . « Lorsque nous essayons de comprendre comment les changements chimiques se produisent, il y a cette question : le mouvement global ressemble-t-il à une horloge ou est-il plus irrégulier ? »

Outre leurs vibrations constantes, qui se produisent sans lumière, les électrons peuvent avoir des interactions au niveau quantique qui conduisent parfois à des virages plus dramatiques.

« Parce qu’ils sont si légers, les électrons se déplacent généralement des milliers de fois plus vite que les centres des atomes, les noyaux », a-t-il déclaré. « Même s’ils se déplacent constamment, les orbites des électrons s’adaptent en douceur à ce que font les noyaux. Mais de temps en temps, les noyaux arrivent à un endroit où les énergies électroniques sont à peu près égales, que l’excitation soit sur une molécule ou sur C’est ce qu’on appelle la diaphonie de surface. Quand À ce stade, l’excitation a une chance de sauter d’un niveau électronique à un autre.

Prédire à quel moment la conversion d’énergie qui se produit pendant la photosynthèse passe d’un mouvement ordonné à un mouvement ou une dissipation aléatoire prendrait beaucoup de temps et d’efforts par calcul direct.

« C’est très agréable d’avoir une équation très simple qui détermine quand cela se produit », a déclaré Martin Gropelli, chimiste de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur de l’étude qui fait partie de la Joint Rice-Illinois Organization. Center for Conditioning Defects in Features (CAFF). « C’est quelque chose que nous n’avions pas eu auparavant, et il a fallu de très longs calculs pour le comprendre. »

La théorie de Logan-Wolynes ouvre un large éventail d’investigations scientifiques qui vont de l’exploration théorique des fondements de la mécanique quantique aux applications pratiques.

« La théorie de Logan-Wollens vous indique approximativement l’apport d’énergie dont vous auriez besoin pour modifier le comportement d’un système quantique », a déclaré Woolens.

« Mais l’une des choses intéressantes que les calculs à grande échelle de (co-auteurs Chenghao) Zhang et Gruebele ont trouvé est qu’il y a ces exceptions qui se démarquent de tous les modèles orbitaux possibles que vous pourriez avoir. Les mouvements durent pendant de longues périodes. du temps et ne semblent pas être aléatoires. L’une des questions que nous allons poursuivre est de savoir dans quelle mesure cette régularité continue affecte des processus tels que la photosynthèse.

« Il y a une autre direction poursuivie chez Rice où cette théorie peut aider à résoudre le problème de la fabrication d’un ordinateur quantique qui se comporte autant que possible comme une horloge », a-t-il déclaré.

« Vous ne voulez pas que vos ordinateurs modifient des informations au hasard. Plus vous construisez un ordinateur gros et complexe, plus vous risquez de subir une sorte d’effet aléatoire. »

Gruebele et les collaborateurs de l’Illinois prévoient également d’utiliser ces idées dans d’autres contextes scientifiques. « L’un de nos objectifs, par exemple, est de concevoir de meilleures molécules artificielles de collecte de lumière qui pourraient consister en des points de carbone capables de transférer de l’énergie à leur environnement où elle peut être récoltée », a déclaré Gropelli.