Kvantno računalo za snimanje kemijske reakcije

Novo istraživanje i prvi eksperimentalni rezultat na svijetu pokazuju potencijal za korištenje kvantne tehnologije za istraživanje novih dizajna u znanosti o materijalima, lijekovima ili sakupljanju solarne energije.

Znanstvenici Vanessa Olaya Agudelo i dr. Christophe Valahu sa Sveučilišta u Sydneyu po prvi su put upotrijebili kvantno računalo za projektiranje i izravno promatranje procesa koji je kritičan u kemijskim reakcijama usporavajući ga za faktor od 100 milijardi puta.

Glavna istraživačica i doktorandica Vanessa Olaya Agudelo rekla je: "Upravo razumijevanjem ovih osnovnih procesa unutar i između molekula možemo otvoriti novi svijet mogućnosti u znanosti o materijalima, dizajnu lijekova ili sakupljanju solarne energije. Također bi moglo pomoći u poboljšanju drugih procesa koji se oslanjaju na interakciju molekula sa svjetlom, poput načina na koji nastaje smog ili kako se oštećuje ozonski omotač."

Konkretno, istraživački tim svjedočio je uzorku interferencije jednog atoma uzrokovanom uobičajenom geometrijskom strukturom u kemiji koja se naziva 'stožasti presjek'. Konusna sjecišta poznata su u cijeloj kemiji i vitalna su za brze fotokemijske procese kao što je prikupljanje svjetla u ljudskom vidu ili fotosinteza.

Kemičari su pokušavali izravno promatrati takve geometrijske procese u kemijskoj dinamici od 1950-ih, ali nije ih moguće izravno promatrati s obzirom na iznimno brze vremenske okvire. Kako bi riješili ovaj problem, kvantni istraživači na Fakultetu fizike i Fakultetu kemije  napravili su eksperiment koristeći kvantno računalo sa zarobljenim ionima na potpuno novi način. To im je omogućilo da dizajniraju i preslikaju ovaj vrlo komplicirani problem na relativno mali kvantni uređaj i zatim uspore proces za faktor od 100 milijardi, kao što možete vidjeti u ovom videu.

"U prirodi je cijeli proces gotov u roku od femtosekundi", rekla je gospođa Olaya Agudelo s Kemijskog fakulteta. "To je milijarditi dio ili jedan kvadrilijunti dio sekunde. Koristeći naše kvantno računalo izgradili smo sustav koji nam je omogućio da usporimo kemijsku dinamiku s femtosekundi na milisekunde. To nam je omogućilo značajna promatranja i mjerenja."

Zajednički glavni autor dr. Christophe Valahu sa Fakulteta fizike rekao je: "Do sada nismo bili u mogućnosti izravno promatrati dinamiku 'geometrijske faze', događa se prebrzo za eksperimentalno ispitivanje. Korištenjem kvantnih tehnologija, riješili smo ovaj problem."

Dr. Valahu je rekao da je to slično simulaciji zračnih uzoraka oko krila aviona u zračnom tunelu.

"Naš eksperiment nije bio digitalna aproksimacija procesa. Ovo je bilo izravno analogno promatranje kvantne dinamike koja se odvija brzinom koju smo mogli promatrati", rekao je.

U fotokemijskim reakcijama kao što je fotosinteza, kojom biljke dobivaju energiju od Sunca, molekule prenose energiju brzinom munje, tvoreći područja razmjene poznata kao stožasta sjecišta.

Ova je studija usporila dinamiku u kvantnom računalu i otkrila predviđene znakove, ali nikada prije viđene, povezane s konusnim sjecištima u fotokemiji.

Kvantno računalo korišteno za provođenje eksperimenta nalazi se u Laboratoriju za kvantnu kontrolu profesora Michaela Biercuka, utemeljitelja kvantnog pokretanja,  Q-CTRL.

Dr. Tan, koautor studije, rekao je: "Ovo je fantastična suradnja između teoretičara kemije i eksperimentalnih kvantnih fizičara. Koristimo novi pristup u fizici za rješavanje dugotrajnog problema u kemiji."

Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Chemistry.