Dzięki komputerowi kwantowemu spowalnia czas 100 000 milionów razy

Tak jest w przypadku eksperymentu przeprowadzonego przez naukowców z Uniwersytetu w Sydney (Australia), którzy po raz pierwszy wykorzystali komputer kwantowy do zaprojektowania i bezpośredniego monitorowania krytycznego procesu w reakcjach chemicznych, spowalniając go 100 miliardów razy. Wnioski z badania zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie „Chemia natury’.

„Rozumiejąc te podstawowe procesy wewnątrz cząsteczek i pomiędzy nimi, możemy otworzyć nowy świat możliwości w materiałoznawstwie, projektowaniu leków lub pozyskiwaniu energii słonecznej” – wyjaśnia Vanessa Olaya Agudelo, pierwsza autorka artykułu. „Mogłoby to również pomóc w ulepszeniu innych procesów zależnych od cząstek wchodzących w interakcję ze światłem, takich jak powstawanie smogu (silnie zanieczyszczającej, nisko położonej chmury dwutlenku węgla, sadzy, oparów i zawieszonego pyłu, która tworzy się nad dużymi miastami lub ośrodkami przemysłowymi). lub w jaki sposób niszczone są zanieczyszczenia.” Warstwa ozonowa”.

Procesy, które trwają krócej niż mrugnięcie

W szczególności zespół był świadkiem nakładającego się wzoru pojedynczych atomów utworzonego przez strukturę geometryczną powszechną w chemii zwaną „stożkiem przechwytującym”. Połączenia stożkowe są niezbędne w szybkich procesach fotochemicznych, takich jak gromadzenie się światła w ludzkim wzroku lub fotosynteza. Chemicy próbowali bezpośrednio obserwować te procesy od lat pięćdziesiątych XX wieku, jednak bezpośrednia obserwacja nie jest możliwa ze względu na bardzo szybką skalę czasową, w jakiej zachodzą. Jest renderowany w ciągu femtosekundy, co odpowiada jednej miliardowej sekundy.

Aby obejść ten problem, naukowcy przeprowadzili eksperyment, wykorzystując jonowy komputer kwantowy zamknięty w zupełnie nowy sposób. „Korzystając z naszego komputera kwantowego, zbudowaliśmy system, który pozwala nam spowolnić dynamikę chemiczną z femtosekund do milisekund. Pozwoliło nam to na dokonanie znaczących obserwacji i pomiarów” – mówi Olaya Agudelo. „Nie robiono tego wcześniej”.

Ze swojej strony Christophe Valhau, jeden z autorów, wyjaśnia, że ​​dotychczas nie zaobserwowano bezpośrednio tego procesu. „To dzieje się zbyt szybko, aby można było to zbadać eksperymentalnie” – mówi. Dzięki zastosowaniu technologii kwantowych rozwiązaliśmy ten problem.”

Fallaho porównuje ten proces do symulacji rozkładu powietrza wokół skrzydła samolotu w tunelu aerodynamicznym. „Nasz eksperyment nie polegał na cyfrowym przybliżeniu procesu, ale na bezpośredniej, analogowej obserwacji dynamiki kwantowej rozwijającej się w tempie, które możemy zaobserwować” – mówi. Oznacza to, że nie jest to model wygenerowany komputerowo, ale udało im się zobaczyć rzeczywisty proces.

W reakcjach fotochemicznych, takich jak fotosynteza, podczas których rośliny czerpią energię ze słońca, cząsteczki przekazują energię z prędkością błyskawicy, tworząc obszary wymiany zwane stożkami przewodnictwa. Badanie to spowolniło dynamikę komputera kwantowego i ujawniło oczekiwane, ale wcześniej niewidoczne cechy związane ze złączami stożkowymi w fotochemii.

Ten eksperyment nie tylko pomaga lepiej zrozumieć procesy chemiczne trwające krócej niż mrugnięcie okiem, ale otwiera także drzwi do nowych testów łączących chemię, fizykę i komputery kwantowe. Jak mówi Tengri Tan, odpowiedzialna za sprzęt użyty w eksperymencie: „To wspaniała współpraca między teoretykami chemii i eksperymentalnymi fizykami kwantowymi. Stosujemy nowe podejście w fizyce, aby uporać się z długotrwałym problemem w chemii. „