Ученые используют квантовое устройство для замедления моделируемой химической реакции

Ученые Сиднейского университетаесть, впервые, использовали квантовый компьютер, чтобы спроектировать и непосредственно наблюдать процесс, критический для химических реакций, замедлив его в 100 миллиардов раз.

Ведущий исследователь и аспирант Ванесса Олайя Агудело сказала: «Именно понимая эти основные процессы внутри и между молекулами, мы можем открыть новый мир возможностей в материаловедении, разработке лекарств или сборе солнечной энергии. Это также может помочь улучшить другие процессы, основанные на взаимодействии молекул со светом, например, создание смога или повреждение озонового слоя».

В частности, исследовательская группа стала свидетелем интерференционной картины одного атома, вызванной общей геометрической структурой в химии, называемой «коническое пересечение».

Конические пересечения известны во всей химии и жизненно важны для быстрых фотохимических процессов, таких как сбор света в человеческом зрении или фотосинтез.

Химики пытались напрямую наблюдать такие геометрические процессы в химической динамике с 1950-х годов, но наблюдать их напрямую невозможно, учитывая чрезвычайно короткие временные рамки.

Чтобы обойти эту проблему, квантовые исследователи из Школы физики и Школы химии провели эксперимент, используя квантовый компьютер с захваченными ионами совершенно новым способом. Это позволило им спроектировать и отобразить эту очень сложную проблему на относительно небольшом квантовом устройстве, а затем замедлить процесс в 100 миллиардов раз.

Результаты их исследований опубликованы в журнале Nature Chemistry.

«В природе весь процесс завершается за фемтосекунды», — сказал Олайя Агудело из Школы химии. «Это миллиардная миллионной — или одна квадриллионная — секунды. Используя наш квантовый компьютер, мы построили систему, которая позволила нам замедлить химическую динамику с фемтосекунд до миллисекунд. Это позволило нам провести содержательные наблюдения и измерения. Раньше этого никогда не делалось».

Ведущий автор исследования доктор Кристоф Валаю из Школы физики сказал: «До сих пор мы не могли напрямую наблюдать динамику «геометрической фазы»; это происходит слишком быстро, чтобы можно было проверить это экспериментально. Используя квантовые технологии, мы решили эту проблему».

Валаху сказал, что это похоже на моделирование воздушных потоков вокруг крыла самолета в аэродинамической трубе.

«Наш эксперимент не был цифровой аппроксимацией процесса — это было прямое аналоговое наблюдение квантовой динамики, разворачивающейся со скоростью, которую мы могли наблюдать», — сказал он.

В фотохимических реакциях, таких как фотосинтез, в ходе которых растения получают энергию от Солнца, молекулы передают энергию со скоростью молнии, образуя области обмена, известные как конические пересечения.

Это исследование замедлило динамику квантового компьютера и выявило предсказанные, но никогда ранее не замеченные контрольные признаки, связанные с коническими пересечениями в фотохимии.

Соавтор и руководитель исследовательской группы, доцент Иван Кассал из Школы химии и Нано-института Сиднейского университета, сказал: «Этот потрясающий результат поможет нам лучше понять сверхбыструю динамику — то, как молекулы изменяются в самые быстрые сроки. Потрясающе, что в Сиднейском университете у нас есть доступ к лучшему в стране программируемому квантовому компьютеру для проведения этих экспериментов».

Квантовый компьютер, использованный для проведения эксперимента, находится в Лаборатории квантового контроля профессора Майкла Бирчука, основателя квантового стартапа Q-CTRL. Экспериментальную работу возглавил доктор Тинг Рей Тан.

Тан, соавтор исследования, сказал: «Это фантастическое сотрудничество между химиками-теоретиками и квантовыми физиками-экспериментаторами. Мы используем новый подход в физике для решения давней проблемы химии».

- Этот пресс-релиз первоначально был опубликован на веб-сайте Сиднейского университета.