Concurrentie voor kosmische kwantummixers

Als informatie de waarnemingshorizon van een zwart gat overschrijdt, gaat het verloren: Binnen zeer korte tijd is het verstrengeld met de andere kwantuminformatie daar en "uitgesmeerd" over het hele zwarte gat. Zwaartekrachtmonsters worden beschouwd als de snelste en meest efficiënte "kwantummixers" in het universum. Het wordt nu echter duidelijk dat veel eenvoudigere systemen met hen concurreren.

Een team onder leiding van Peter G. Wolynes van de Rice University in Houston meldt nu dat informatie in chemische reacties bijna net zo snel verloren kan gaan als wanneer een waarnemingshorizon wordt overschreden. Een exotisch kwantumeffect, "tunneling", maakt plotseling enorme hoeveelheden willekeurige kwantumtoestanden mogelijk, schrijven de experts in het wetenschappelijke tijdschrift "PNAS". Dit zou informatie binnen fracties van een triljoenste van een seconde kunnen vernietigen.

De werkgroep gebruikte theoretische berekeningen om te onderzoeken hoe deze kwantuminformatie zich gedraagt tijdens de reactie. Dit is een belangrijke vraag in de fysische chemie: chemische reacties kunnen worden gestuurd door de toestanden van de betrokken moleculen. Vanuit kwantummechanisch oogpunt is een reactie geen opeenvolging van eenduidige toestanden, maar vertegenwoordigt het een heel landschap van toestanden die met verschillende waarschijnlijkheden kunnen worden aangenomen. De kwantuminformatie van de beginmoleculen is in feite vervat in deze waarschijnlijkheden.

Onder bepaalde omstandigheden wordt het relatief overzichtelijke landschap van toestanden en hun waarschijnlijkheden plotseling een onbeheersbaar universum van mogelijkheden. Dit gebeurt wanneer een chemisch systeem koud en langzaam genoeg is om te kunnen "tunnelen". Dit betekent dat het schakelt tussen twee toestanden, zelfs als het eigenlijk niet genoeg energie heeft voor deze overgang. In de kwantummechanica kunnen zulke "onmogelijke" overgangen ook optreden met een lage waarschijnlijkheid. Als dit gebeurt, wordt de kwantuminformatie over de begintoestand met de theoretisch hoogst mogelijke snelheid over het hele systeem uitgesmeerd, net als in een zwart gat.

Dit gebeurt echter niet altijd - anders dan bij zwarte gaten hangt het proces sterk af van de omstandigheden. Als een reactie plaatsvindt in een groot en complex systeem, bijvoorbeeld in water, dan dempt de omgeving het effect. De scheikunde staat dus zeker niet machteloos tegenover informatieverlies. De mate waarin informatie behouden blijft tijdens een chemische reactie kan in principe gecontroleerd worden - en dus ook hoe goed chemische processen gecontroleerd kunnen worden en hoe effectief de gewenste producten verkregen kunnen worden. Dit is ook een verschil met een zwart gat: als je daarin valt, leidt het altijd tot hetzelfde resultaat - of dat nu gewenst is of niet.

Spectrum van de wetenschap

Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen gefundeerde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.