Вчені використовують квантовий пристрій для уповільнення змодельованої хімічної реакції в 100 мільярдів разів

Вчені з Університету Сіднея вперше використали квантовий комп’ютер для моделювання та безпосереднього спостереження процесу, критично важливого для хімічних реакцій, сповільнивши його у 100 мільярдів разів.

Ванесса Олая Агудело (Vanessa Olaya Agudelo), провідний дослідник та аспірантка, зазначила: «Розуміння цих базових процесів всередині та між молекулами може відкрити новий світ можливостей у матеріалознавстві, розробці ліків чи збиранні сонячної енергії».

«Це також може допомогти вдосконалити інші процеси, які залежать від взаємодії молекул зі світлом, наприклад, як утворюється смог або як пошкоджується озоновий шар».

Зокрема, дослідницька група спостерігала інтерференційну картину одного атома, спричинену поширеною в хімії геометричною структурою, яка називається «конічним перетином».

Конічні перетини відомі в хімії і є життєво важливими для швидких фотохімічних процесів, таких як збирання світла в людському зорі або фотосинтез.

Хіміки намагалися безпосередньо спостерігати такі геометричні процеси в хімічній динаміці з 1950-х років, але це неможливо, враховуючи надзвичайно швидкі часові масштаби.

Щоб обійти цю проблему, квантові дослідники з Школи фізики та Школи хімії створили експеримент з використанням квантового комп’ютера з захопленими іонами абсолютно новим способом. Це дозволило їм спроектувати і відобразити цю дуже складну проблему на відносно невеликому квантовому пристрої – а потім сповільнити процес у 100 мільярдів разів.

Результати їхнього дослідження опубліковані сьогодні в журналі Nature Chemistry.

«У природі весь процес завершується за фемтосекунди», – каже пані Олая Агудело з хімічного факультету. «Це мільярдна мільйонна – або одна квадрильйонна – частка секунди».

«Використовуючи наш квантовий комп’ютер, ми створили систему, яка дозволила нам уповільнити хімічну динаміку від фемтосекунд до мілісекунд. Це дозволило нам проводити повноцінні спостереження та вимірювання».

«Цього ніколи не робили раніше» сказав провідний автор дослідження доктор Крістоф Валаху з Фізичного факультету: «До цього часу ми не могли безпосередньо спостерігати динаміку „геометричної фази“; вона відбувається занадто швидко, щоб дослідити її експериментально. Використовуючи квантові технології, ми вирішили цю проблему».

Доктор Валаху каже, що це схоже на моделювання повітряних потоків навколо крила літака в аеродинамічній трубі.

«Наш експеримент не був цифровим наближенням процесу – це було пряме аналогове спостереження квантової динаміки, що розгортається зі швидкістю, яку ми могли спостерігати», – сказав він.

У фотохімічних реакціях, таких як фотосинтез, завдяки якому рослини отримують енергію від Сонця, молекули передають енергію з блискавичною швидкістю, утворюючи області обміну, відомі як конічні перетини.

Це дослідження сповільнило динаміку у квантовому комп’ютері і виявило характерні ознаки, які були передбачені – але ніколи раніше не спостерігалися – пов’язані з конічними перетинами у фотохімії.

Співавтор і керівник дослідницької групи, доцент Іван Кассал (Ivan Kassal) зі Школи хімії та Наноінституту Університету Сіднея, сказав:

«Цей захоплюючий результат допоможе нам зрозуміти, як фотохімія може бути пов’язана з конічними перехрестями. Він допоможе нам краще зрозуміти надшвидку динаміку – як молекули змінюються в найшвидших часових масштабах».

«Приголомшливо, що в Університеті Сіднея ми маємо доступ до найкращого в країні програмованого квантового комп’ютера для проведення цих експериментів».

Квантовий комп’ютер, використаний для проведення експерименту, знаходиться в Лабораторії квантового контролю професора Майкла Бірчука, засновника квантового стартапу Q-CTRL. Експериментальною роботою керував доктор Тінг Рей Тан.

Доктор Тан, співавтор дослідження, сказав «Це фантастична співпраця між теоретиками хімії та експериментальними квантовими фізиками. Ми використовуємо новий підхід у фізиці для вирішення давньої проблеми в хімії».

Нещодавно британська дослідницька компанія Quantum Blockchain Technologies розробила алгоритмічні методи пошуку, які підвищують ефективність майнінгу біткоїна та ймовірність отримання винагороди.