이론은 복잡한 양자 시스템에서 혼돈으로부터 질서를 분류할 수 있습니다.

[아름이]

이론은 복잡한 양자 시스템에서 혼돈으로부터 질서를 분류할 수 있습니다.
개발은 컴퓨팅, 전기 화학, 생물학적 시스템의 발전을 촉발할 수 있습니다.
날짜:
2023년 2월 23일
원천:
라이스 대학교
요약:
이론 화학자들은 광합성 모델에 대한 대규모 계산을 사용한 연구를 통해 알 수 있듯이 양자 역학이 '순서'에서 '무작위'로 전환되는 임계값을 예측할 수 있는 이론을 개발했습니다.

전체 이야기
양자 규모의 움직임을 이해하는 것은 쉽지 않지만 라이스 대학교와 옥스퍼드 대학교의 과학자들이 개발한 새로운 수학적 이론이 도움이 될 수 있으며 다양한 컴퓨팅, 전기화학 및 생물학적 시스템을 개선하는 데 통찰력을 제공할 수 있습니다.

Rice 이론가 Peter Wolynes와 Oxford 이론 화학자 David Logan이 개발한 이론은 대규모 양자 시스템이 시계와 같은 질서 있는 움직임에서 초기 태양계에서 움직이는 소행성과 같은 무작위적이고 불규칙한 움직임으로 전환되는 임계값에 대한 간단한 예측을 제공합니다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인(Urban-Champaign) 공동 연구자들은 광합성 모델의 전산 분석을 사용하여 이 이론이 햇빛으로부터 에너지를 흡수할 때 엽록소 분자의 운동 특성을 예측할 수 있음을 보여주었습니다.

이 이론은 충분히 복잡한 모든 양자 시스템에 적용되며 더 나은 양자 컴퓨터 구축에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 예를 들어 차세대 태양 전지의 기능을 설계하거나 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

이 연구는 이번 주에 National Academy of Sciences의 Proceedings 에 게재되었습니다 .

특히 양자물리학이 역할을 할 때 분자 수준에서 완전히 정지된 것은 없습니다. 잎사귀에 반짝이는 물방울은 움직이지 않는 것처럼 보이지만 그 안에는 1000억개 이상의 분자들이 쉬지 않고 진동하고 있습니다. 수소와 산소 원자, 그리고 그 안에 있는 아원자 입자(핵과 전자)는 끊임없이 움직이고 상호 작용합니다.

"양자 규모에서 개별 분자의 움직임에 대해 생각할 때 태양계에 대해 생각하는 방식과 비교하는 경우가 많습니다."라고 Wolynes는 말했습니다. "당신은 우리 태양계에 8개의 행성이 있고 각각의 궤도가 명확하다는 것을 알게 됩니다. 하지만 사실 궤도는 서로 상호 작용합니다. 그럼에도 불구하고 궤도는 매우 예측 가능합니다. 플라네타륨에 갈 수 있고 그들은 2,000년 전 하늘이 어땠는지 보여드리겠습니다. 분자에 있는 원자의 많은 움직임이 정확히 규칙적이거나 시계와 같습니다."

Wolynes와 Logan이 처음 양자 운동의 규칙성 또는 무작위성을 예측하는 문제를 제기했을 때, 그들은 개별 분자의 진동 운동 관찰에 대해 그들의 수학을 테스트했습니다.

"양자 운동 패턴을 분석할 수 있으려면 분자에 대해 두 가지만 알면 됩니다."라고 Wolynes는 말했습니다. "첫째, 입자의 진동 주파수, 즉 궤도와 같은 진동이 발생하는 주파수를 알아야 하고, 둘째, 이러한 진동이 서로 비선형적으로 상호 작용하는 방식을 알아야 합니다. 이러한 비조화적 상호 작용은 주로 원자의 질량 유기 분자의 경우 이러한 진동 궤도가 서로 얼마나 강하게 상호 작용하는지 예측할 수 있습니다."

예를 들어 화학 반응의 결과로 분자가 구조를 극적으로 변화시킬 때 상황은 더욱 복잡해집니다.

"화학적으로 반응하거나 구조를 재정렬하는 분자를 살펴보기 시작하자마자 그 과정에서 적어도 일부 예측 불가능성 또는 무작위성 요소가 있음을 알게 됩니다. "라고 Wolynes는 말했습니다. "화학적 변화가 어떻게 발생하는지 이해하려고 할 때 다음과 같은 질문이 있습니다. 전체 운동이 시계와 같은가요 아니면 더 불규칙한가요?"

빛 없이 발생하는 논스톱 진동 외에도 전자는 양자 수준의 상호 작용을 통해 때때로 더 극적인 전환을 일으킬 수 있습니다.

"전자는 매우 가볍기 때문에 일반적으로 원자의 중심인 핵보다 수천 배 빠르게 움직입니다."라고 그는 말했습니다. "따라서 전자는 끊임없이 움직이지만 전자의 궤도는 핵이 하는 일에 부드럽게 맞춰집니다. 그러나 때때로 핵은 여기가 한 분자에 있든 분자에 있든 전자 에너지가 거의 동일한 위치에 도달합니다. 다른 것입니다. 표면 교차라고 하는 것입니다. 그 시점에서 여기(excitation)는 한 전자 수준에서 다른 전자 수준으로 점프할 기회가 있습니다."

광합성 중에 발생하는 에너지 전달이 규칙적인 움직임에서 임의성 또는 소멸로 바뀌는 시점을 예측하려면 직접 계산을 통해 상당한 시간과 노력이 필요합니다.

일리노이 대학교 어바나-샴페인(Urban-Champaign)의 화학자이자 라이스-일리노이 합동 연구의 공동 저자인 마틴 그루벨레(Martin Gruebele)는 "이것이 언제 발생하는지를 결정하는 매우 간단한 공식을 가지고 있다는 것은 매우 좋은 일"이라고 말했다. National Science Foundation에서 자금을 지원하는 CAFF(Centre for Adapting Flaws into Features). "그것은 우리가 이전에는 없었던 것이었고 그것을 알아내는 데는 매우 긴 계산이 필요했습니다."

Logan-Wolynes 이론은 양자 역학의 기본 원리에 대한 이론적 탐구에서 실제 응용에 이르기까지 광범위한 과학적 탐구의 문을 엽니다.

"Logan-Wolynes 이론은 양자 시스템 동작에서 변화를 얻을 수 있는 대략적인 에너지 입력을 알려주는 측면에서 꽤 잘 작동했습니다."라고 Wolynes는 말했습니다. "그러나 (공저자 Chenghao) Zhang과 Gruebele의 대규모 계산에서 발견한 흥미로운 점 중 하나는 당신이 가질 수 있는 모든 가능한 궤도 패턴에서 눈에 띄는 이러한 예외가 있다는 것입니다. 때때로 간단한 몇 가지 낙오자가 있습니다. 움직임은 오랫동안 지속되고 무작위화되지 않는 것 같습니다. 앞으로 우리가 추구할 질문 중 하나는 지속적인 규칙성이 실제로 광합성과 같은 과정에 얼마나 많은 영향을 미치는지입니다.

"이 이론이 도움이 될 수 있는 Rice에서 추구하고 있는 또 다른 방향은 가능한 한 시계와 같은 방식으로 동작하는 양자 컴퓨터를 만드는 문제입니다."라고 그는 말했습니다. "컴퓨터가 무작위로 정보를 변경하는 것을 원하지 않습니다. 컴퓨터를 더 크고 정교하게 만들수록 일종의 무작위 효과에 부딪힐 가능성이 높아집니다."

Gruebele과 일리노이의 협력자들은 또한 이러한 아이디어를 다른 과학적 맥락에서 사용할 계획입니다. "예를 들어, 우리의 목표 중 하나는 수확할 수 있는 주변으로 에너지를 전달할 수 있는 탄소 도트로 구성될 수 있는 인간이 만든 더 나은 집광 분자를 설계하는 것입니다."라고 Gruebele는 말했습니다.

Wolynes는 Rice의 Bullard-Welch Foundation 과학 교수이자 화학, 생화학 및 세포 생물학, 물리학 및 천문학, 재료 과학 및 나노 공학 교수이자 CTBP(Center for Theoretical Biological Physics)의 공동 책임자입니다. 국립 과학 재단에 의해. Logan은 옥스퍼드의 이론 화학과 Coulson 교수입니다. Gruebele는 화학 부문 James R. Eiszner 석좌교수이며 Zhang은 University of Illinois Urbana-Champaign의 물리학 대학원생입니다.

James R. Eiszner 화학과 일리노이 물리학과 학과장, Bullard-Welch 학과장 Rice(C-0016) 및 국립 과학 재단(PHY-2019745)이 연구를 지원했습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/