量子相干性和混沌动力学:引导分子机器走向低熵状态

量子相干性通过改变概率分布的结构和可访问性,深刻改变了经典热力学预期。在经典情况下,向低熵态(局部第二定律违反)的转变被指数抑制,因为低熵配置具有较少的可用微观态且在统计上不太可能。然而,引入量子相干性和半经典轨迹之间的结构量子干涉显著改变了这一情景。量子相干性通过在经典上独立的状态之间建立关联来降低局部熵,有效地重构概率幅,以引导向原本不太可能的低熵态的转变。研究团队在半经典近似的框架内明确分析了这一现象,采用Van Vleck-Gutzwiller传播子来量化由相干叠加产生的干涉项如何修改经典涨落定理。该团队展示了量子相干性,特别是与混沌辅助的动态隧穿相结合时,大大增强了向低熵配置转变的概率,产生了显著的抗遍历效应。此外,通过考虑混合量子态的纯化,研究团队提出了在干涉路径之间有意设计量子相位的方法。这种相位工程可以明确增强由相干性驱动的向低熵态的转变,提供了一种新颖的热力学资源。最后,该工作探索了利用这些原理的分子尺度量子机器的可行性,强调了它们在量子热力学和量子生物学中通过相干介导的熵减少执行有用工作的潜在应用。

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