理论可以在复杂的量子系统中从混沌中排序

要理解量子尺度的运动并不容易，但莱斯大学和牛津大学的科学家们开发的一种新数学理论可能会有所帮助——并可能为改进各种计算提供见解，电化学和生物系统。

由赖斯理论家彼得沃林斯和牛津大学理论化学家大卫洛根开发的理论对大型量子系统从像时钟这样的有序运动转变为像早期太阳系中四处移动的小行星那样随机，不稳定的运动的阈值给出了一个简单的预测。伊利诺伊大学香槟分校的合作者通过对光合作用模型的计算分析表明，该理论可以预测叶绿素 分子从阳光中吸收能量时的运动性质。

该理论适用于任何足够复杂的量子系统，并可能为构建更好的量子计算机提供见解。例如，它还可以帮助设计下一代太阳能电池的功能 ，或者可能使电池寿命更长。

该研究发表在本周的国家科学院院刊上。

在分子水平上没有什么是完全静止的，尤其是当量子物理学发挥作用时。在叶子上闪闪发光的水滴可能看起来一动不动，但在内部，超过 六十亿个分子在不停地振动。氢原子和氧原子以及 其中的亚原子粒子——原子核 和电子 ——不断地移动和相互作用。

“在思考单个分子在量子尺度上的运动时，通常会与我们思考太阳系的方式进行比较，”Wolynes 说。“你了解到我们的太阳系中有八颗行星，每颗都有明确的轨道。但实际上，轨道是相互作用的。然而，轨道是非常可预测的。你可以去天文馆，他们会告诉你 2000 年前的天空是什么样子。分子中原子的许多运动都是有规律的或有规律的。”

当 Wolynes 和 Logan 首次提出预测量子运动的规律性或随机性的问题时，他们根据对单个分子振动运动的观察来测试他们的数学。

“你只需要知道关于一个分子的两件事就能够分析它的量子运动模式，”Wolynes 说。“首先，你需要知道它的粒子的振动频率 ，也就是说像轨道一样发生振动的频率，其次，这些振动如何非线性地相互作用。这些非谐 相互作用主要取决于原子的质量。对于有机分子，你可以预测这些振动轨道相互作用的强度。”

当分子也显着改变结构时，例如由于化学反应，事情就会变得更加复杂。

“一旦我们开始研究发生化学反应或重新排列其结构的分子，我们就知道该过程至少存在一些不可预测性或随机性因素，因为即使在经典术语中，反应要么发生，要么不发生”沃林斯说。“当我们试图了解化学变化是如何发生时，就会出现这样一个问题：整体运动是更像钟表还是更不规则?”

除了在没有光的情况下发生的不间断振动外，电子还可以进行量子级相互作用，有时会导致更剧烈的转变。

“因为它们非常轻，所以电子通常比原子中心、原子核的移动速度快数千倍，”他说。“因此，尽管它们在不断移动，但电子的轨道会平稳地适应原子核的行为。但是时不时地，原子核会到达一个电子能量几乎相等的位置，无论激发是在一个分子上还是在另一个分子上。这就是所谓的表面交叉。到那时，激发就有机会从一个电子水平跳到另一个电子水平。”

预测光合作用期间发生的能量转移从有序运动转变为随机或耗散的时间点将通过直接计算花费大量时间和精力。

“很高兴我们有一个非常简单的公式来确定何时发生这种情况，”伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的化学家Martin Gruebele说，他是该研究的合著者，也是 Rice-Illinois 联合项目的一部分由国家科学基金会资助的缺陷适应特征中心(CAFF)。“这是我们以前没有的东西，弄清楚它需要非常冗长的计算。”

Logan-Wolynes 理论开辟了广泛的科学探索领域，从量子力学基础的理论探索到实际应用。

“Logan-Wolynes 理论在告诉你大致输入多少能量时量子系统行为会发生变化方面做得很好，”Wolynes 说。“但是，(合著者 Chenghao)Zhang 和 Gruebele 的大规模计算发现的一件有趣的事情是，这些异常从你可能拥有的所有可能的轨道模式中脱颖而出。偶尔会有一些掉队的人，他们的简单动作会持续很长时间，而且似乎没有随机化。我们未来要追寻的问题之一是这种持续的规律性实际上在多大程度上影响了光合作用等过程。

“赖斯正在追求的另一个方向，这个理论可以提供帮助的问题是制造尽可能以时钟方式运行的量子计算机，”他说。“您不希望您的计算机随机更改信息。你制造的计算机越大越复杂，你就越有可能遇到某种随机化效应。”

Gruebele 和伊利诺伊州的合作者还计划在其他科学环境中使用这些想法。“例如，我们的目标之一是设计更好的人造光收集分子，这些分子可能由碳点组成 ，可以将能量转移到可以收集能量的周围，”Gruebele 说。

Wolynes 是莱斯大学 Bullard-Welch 基金会的科学教授，也是化学、生物化学和细胞生物学、物理学和天文学以及材料科学和纳米工程的教授，也是莱斯大学理论生物物理中心 (CTBP) 的联合主任，该中心由由国家科学基金会。洛根是牛津大学理论化学的库尔森教授。Gruebele 是 James R. Eiszner 授予的化学主席和张是伊利诺伊大学香槟分校物理学的研究生。

伊利诺伊州化学和物理系的 James R. Eiszner 主席、莱斯大学的 Bullard-Welch 主席 (C-0016) 和国家科学基金会 (PHY-2019745) 支持了这项研究。