Квантово устройство, използвано за забавяне на химическа реакция със 100 милиарда пъти

Учени от университета в Сидни са използвали квантов компютър, за да забавят и директно да наблюдават процес на ключова химическа реакция, разкривайки подробности, които не са виждани досега поради бързите времеви мащаби. Това постижение предлага нови прозрения в науката за материалите, дизайна на лекарства и други области.

Това, което се случва за фемтосекунди в природата, вече може да се наблюдава за милисекунди в лабораторията.

учени в Сидни университет Те постигнаха новаторски подвиг, директно наблюдавайки критичен процес на химическа реакция чрез използване на квантов компютър, за да го забави с фактор 100 милиарда пъти.

„Като разберем тези фундаментални процеси вътре и между молекулите, можем да отворим нов свят от възможности в науката за материалите, дизайна на лекарства или събирането на слънчева енергия“, каза водещият изследовател и докторант Ванеса Олая Агудело.

„Това също може да помогне за подобряване на други процеси, които зависят от взаимодействието на молекулите със светлината, като например как се създава смог или как се уврежда озоновият слой.“

Кредит: Себастиан Зентеломо

феномен на коничен кръст

По-конкретно, изследователският екип видя модела на индивидуална намеса царевица Това е резултат от геометрична структура, често срещана в химията, наречена „коничен кръст“.

Коничните връзки са известни в цялата химия и са жизненоважни за бързите фотохимични процеси като събиране на светлина в човешкото зрение или фотосинтеза.

Химиците се опитват директно да наблюдават такива инженерни процеси в химическата динамика от 50-те години на миналия век, но не е възможно да ги наблюдават директно поради включените изключително бързи времеви мащаби.

Водещите автори Ванеса Олая Агудело и д-р Кристоф Фалахо пред квантовия компютър в Нанонаучния център в Сидни, използван в експеримента. Кредит: Стефани Зингсхайм/Университет на Сидни

За да заобиколят този проблем, квантовите изследователи във Факултета по физика и Факултета по химия поставиха експеримент с помощта на квантов компютър, който улавя йони по напълно нов начин. Това им позволи да моделират и начертаят този много сложен проблем на сравнително малка квантова машина и след това да забавят процеса с фактор от 100 милиарда.

Резултатите от тяхното изследване са публикувани на 28 август в списанието Химията на природата.

„В природата целият процес завършва в рамките на фемтосекунда“, каза г-жа Олая Агудело от Факултета по химия. „Това е една милиардна част от милион – или един квадрилион – от секундата.“

„Използвайки нашия квантов компютър, ние изградихме система, която ни позволява да забавим химическата динамика от фемтосекунди до милисекунди. Това ни позволи да направим значими наблюдения и измервания.“

„Това никога не е правено досега.“

Вълнов пакет, развиващ се около конично кръстовище, измерен експериментално с помощта на квантов компютър, затворен в университета в Сидни.
За да наблюдават как вълновият пакет се държи около симулирано конично пресичане, изследователите са използвали един уловен йон – единичен зареден итербиев атом, уловен във вакуум от електрически полета.
След това се контролира и измерва чрез прилагане на сложна и прецизна последователност от лазерни импулси.
Тогава беше проектиран математическият модел, описващ коничните пресечни точки в системата от уловени йони.
След това йонът беше оставен да се развие около конструирания конусен мерник.
След това изследователите конструираха филм на еволюцията на йоните около коничния мерник (вижте GIF). Всеки кадър на GIF показва изображение, показващо вероятността за намиране на йона при определен набор от координати.
Кредит: Университет на Сидни

Ролята на квантовата технология

„Досега не сме били в състояние директно да наблюдаваме динамиката на „геометричната фаза“, каза един от водещите автори д-р Кристоф Валахау от Училището по физика. Случва се твърде бързо, за да бъде изследвано експериментално.

„Използвайки квантови технологии, ние се справихме с този проблем.“

Това е като симулиране на въздушните модели около крилото на самолет в аеродинамичен тунел, каза д-р Фалахо.

„Нашият експеримент не беше цифрово приближение на процеса, а по-скоро директно аналогово наблюдение на квантовата динамика, разгръщаща се със скорост, която можем да наблюдаваме“, каза той.

При фотохимични реакции, като фотосинтеза, при които растенията получават енергията си от слънцето, молекулите пренасят енергия със светкавична скорост, образувайки обменни зони, известни като конични връзки.

Това изследване забави динамиката на квантовия компютър и разкри очакваните, но никога досега невиждани отличителни характеристики, свързани с коничните връзки във фотохимията.

Сътрудничество и бъдещи последици

Съавтор и ръководител на изследователския екип, доц. Иван Казале от Факултета по химия и Нано институт на университета в СидниТой каза: „Този ​​вълнуващ резултат ще ни помогне да разберем по-добре динамиката на хиперскоростите – как молекулите се променят в най-бързите времеви мащаби.

„Изключително е, че ние от университета в Сидни имаме достъп до най-добрия програмируем квантов компютър в страната за извършване на тези експерименти.“

Квантовият компютър, използван за провеждане на експеримента, се помещава в лабораторията за квантов контрол на професор Майкъл Бъркок, основател на квантовия старт, x-ctrl. Експерименталните усилия бяха ръководени от д-р Тинг Ри Тан.

Д-р Тан, съавтор на изследването, каза: „Това е прекрасно сътрудничество между химичните теоретици и експерименталните квантови физици. Ние използваме нов подход във физиката, за да се справим с дългогодишен проблем в химията.

Справка: „Директно наблюдение на геометрично припокриване на фази в динамиката около коничното пресичане“ от C. H. Valahu, VC Olaya-Agudelo, RJ MacDonell, T. Navickas, A. D. Rao, MJ Millican, JB Pérez-Sánchez, J. Yuen-Zhou, MJ Bircock, лошо. Humble, TR Tan и E. Casale, 28 август 2023 г., наличен тук. Химията на природата.
doi: 10.1038/s41557-023-01300-3

Изследването е подкрепено от грантове от Службата за военноморски изследвания на САЩ. Лабораторията по физически науки към Изследователския офис на армията на САЩ; дейността на напреднали изследователски проекти за ЦРУ; Локхийд Мартин; Австралийска отбранителна група за наука и технологии, Sydney Quantum; Награда за сътрудничество между Университета на Сидни и Калифорнийския университет в Сан Диего; д и а. Харли; и чрез изчислителни ресурси от националната изчислителна инфраструктура на австралийското правителство.