理论可以从复杂量子系统中的混沌中分辨有序
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开发的新数学理论可能会有所帮助，并可能为改进各种计算、电化学和生物系统提供见解。
莱斯理论家彼得·沃林斯(Peter Wolynes)和牛津大学理论化学家大卫·洛根(David Logan)开发的理论对大型量子系统从像时钟一样有序运动切换到像小行星在早期太阳系中移动一样随机，不稳定运动的阈值给出了一个简单的预测。伊利诺伊大学厄巴纳-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运动的性质。
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，或者使电池的使用寿命更长。
这项研究本周发表在《美国国家科学院院刊》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，在六分之一分子上不停地振动。氢原子和氧原子以及其中的亚原子粒子 - 原子核和电子 - 不断移动和相互作用。
“在考虑量子尺度上单个分子的运动时，经常会与我们对太阳系的看法进行比较，”Wolynes说。“你知道我们的太阳系中有八颗行星，每颗行星都有一个明确的轨道。但事实上，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2年前的天空是什么样子的。分子中原子的许多运动都是那么有规律或类似时钟的。
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。
“你只需要知道关于分子的两件事就可以分析它的量子运动模式，”Wolynes说。“首先，你需要知道其粒子的振动频率，也就是说，振动发生的频率就像轨道一样，其次，这些振动如何非线性地相互作用。这些不和谐的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。
“一旦我们开始研究化学反应或重新排列其结构的分子，我们就知道在这个过程中至少存在一些不可预测性或随机性的因素，因为即使在经典术语中，反应要么发生，要么不发生，”Wolynes说。“当我们试图了解化学变化是如何发生的时，有一个问题：整体运动更像时钟还是更不规则?”
除了在没有光的情况下发生的不间断振动之外，电子还可以具有量子级相互作用，有时会导致更戏剧性的转变。
“因为它们非常轻，电子的移动速度通常比原子的中心，原子核快数千倍，”他说。“因此，尽管它们不断移动，但电子的轨道会顺利地适应原子核的作用。但是，原子核时不时地会到达一个电子能量几乎相等的地方，无论激发是在一种分子上还是在另一种分子上。这就是所谓的表面交叉。在这一点上，激励有机会从一个电子电平跳到另一个电子电平。
预测光合作用过程中发生的能量转移在哪一点从有序运动转变为随机或耗散，将通过直接计算花费大量的时间和精力。
“我们有一个非常简单的公式来确定这种情况何时发生，这真是太好了，”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，他是莱斯 - 伊利诺伊州联合中心的一部分适应缺陷到特征(CAFF)。“这是我们以前没有的东西，弄清楚它需要非常漫长的计算。
Logan-Wolynes理论开辟了广泛的科学探索，从量子力学基础的理论探索到实际应用。
“Logan-Wolynes理论在告诉你量子系统行为变化的大致能量输入方面做得很好，”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，这些例外从你可能拥有的所有可能的轨道模式中脱颖而出。偶尔会有一些落伍者，简单的动作会持续很长时间，而且似乎不会随机化。我们未来要追求的一个问题是，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。
“赖斯大学正在追求的另一个方向是制造尽可能以时钟般的方式运行的量子计算机，”他说。
“你不希望你的计算机随机改变信息。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也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捕获分子，这些分子可能由碳点组成，可以将能量转移到可以收集的外围，”Gruebele说。