Блог

Aug 02, 2023

Ученые используют квантовое устройство, чтобы замедлить моделируемую химическую реакцию в 100 миллиардов раз

28 августа 2023 г. Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

28 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Сиднейского университета

Ученые из Сиднейского университета впервые использовали квантовый компьютер для проектирования и непосредственного наблюдения за процессом, критическим для химических реакций, замедлив его в 100 миллиардов раз.

Совместный ведущий исследователь и доктор философии. Студентка 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, которые основаны 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 исследования опубликованы 28 августа 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 создали систему, которая позволила нам замедлить химическую динамику с фемтосекунд до миллисекунд. Это позволило нам проводить значимые наблюдения и измерения.

«Такого еще никогда не делалось».

Ведущий соавтор исследования доктор Кристоф Валаю из Школы физики сказал: «До сих пор мы не могли напрямую наблюдать динамику «геометрической фазы»; она происходит слишком быстро, чтобы ее можно было исследовать 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.

«Это потрясающе, что в Сиднейском университете у нас есть доступ к лучшему в стране программируемому квантовому компьютеру для проведения этих экспериментов».