Квантовая запутанность в химических реакциях

Ученые давно подозревали, что квантовое явление может играть роль в фотосинтезе и других химических реакциях, но они не знали это наверняка, потому что такое явление очень трудно идентифицировать.

Теперь исследователи из Университета Пердью продемонстрировали новый способ измерения явления запутывания в химических реакциях — способность квантовых частиц сохранять особую корреляцию друг с другом на большом расстоянии.

Раскрытие того, как именно работают химические реакции, может привести к тому, что их можно будет воссоздать в новых технологиях, например, для разработки более совершенных систем преобразования солнечной энергии.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, обобщает популярную теорему под названием «неравенство Белла» для определения запутанности в химических реакциях. В дополнение к теоретическим аргументам, исследователи также подтвердили обобщенное неравенство с помощью квантового моделирования.

С 1964 года неравенство Белла широко используется и служит проверкой для определения запутанности, которую можно описать с помощью дискретных измерений, таких как измерение ориентации вращения квантовой частицы, а затем определение того, коррелируется ли это измерение с вращением другой частицы. Если система нарушает неравенство, то запутанность существует.

Но описание запутывания в химических реакциях требует непрерывных измерений, таких как различные углы лучей, которые рассеивают реагенты и заставляют их контактировать и превращаться в продукты. То, как подготовлены входы, определяет результаты химической реакции.

Исследователи из Университета Пердью обобщили неравенство Белла, включив в него непрерывные измерения в химических реакциях. Ранее теорема была обобщена на непрерывные измерения в фотонных системах.

Команда ученых проверила обобщенное неравенство Белла в квантовом моделировании химической реакции, дающей молекулу гидрида дейтерия, на основе эксперимента исследователей из Стэнфордского университета, целью которого было изучение квантовых состояний молекулярных взаимодействий, опубликованных в 2018 году в журнале Nature Chemistry.

Поскольку моделирования подтвердили теорему Беллса и показали, что запутанность можно классифицировать в химических реакциях, ученые предлагают провести дальнейшие испытания метода на гидриде дейтерия в эксперименте.

«Мы еще не знаем, какими выходами мы можем управлять, используя преимущества запутывания в химической реакции — просто эти результаты будут другими», — сказал Сабер Кейс, профессор химии в Университете Пердью. «Сделать измеримость запутанности в этих системах — это важный первый шаг».

«Entanglement classifier in chemical reactions» Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aax5283 , advances.sciencemag.org/content/5/8/eaax5283