Квантовый компьютер обнаружил химическую реакцию, замедленную в 100 миллиардов раз

Квантовые компьютеры могут выполнять вычисления, которые недоступны традиционным компьютерам, и теперь ученые использовали эту технологию, чтобы наблюдать что-то, что обычно слишком быстро, чтобы его можно было увидеть.

Ученым удалось замедлить молекулярное взаимодействие в 100 миллиардов раз, чтобы увидеть, что на самом деле происходит в обычной химической реакции.

Микроскопический мир атомов и молекул невероятно сложен для изучения не только потому, что он очень мал, но и потому, что там все происходит гораздо быстрее, чем наши глаза могут заметить.

Химические связи, например, могут образовываться и разрываться в масштабе фемтосекунд – квадриллионных долей секунды. Это затрудняет точное понимание того, что происходит во время некоторых ключевых процессов.

Для нового исследования ученые из Сиднейского университета использовали квантовый компьютер, чтобы замедлить один из этих сверхбыстрых процессов.

Они стали свидетелями того, что происходит с отдельным атомом, когда он сталкивается с геометрической структурой, называемой коническим пересечением, которая часто встречается в химических реакциях, таких как фотосинтез. Ученые десятилетиями пытались напрямую наблюдать за этими процессами.

Используя квантовый компьютер с захваченными ионами, команда отобразила процесс на довольно небольшом квантовом устройстве, что позволило им замедлить процесс в ошеломляющие 100 миллиардов раз. Это свело все к тем скоростям, которые существующие технологии могут наблюдать и измерять.

«В природе весь процесс завершается за фемтосекунды», — сказала Ванесса Агудело, соавтор исследования.

«Используя наш квантовый компьютер, мы создали систему, которая позволила нам замедлить химическую динамику с фемтосекунд до миллисекунд. Это позволило нам провести содержательные наблюдения и измерения. Раньше этого никогда не делалось».

Хотя это может показаться простой симуляцией, команда говорит, что это ближе к эксперименту в контролируемой среде, аналогичному аэродинамической трубе для наблюдения за динамикой воздушного потока для самолетов.

«Наш эксперимент не был цифровой аппроксимацией процесса — это было прямое аналоговое наблюдение квантовой динамики, разворачивающейся со скоростью, которую мы могли наблюдать», — сказал доктор Кристоф Валаху, соавтор исследования.

Использование квантовых компьютеров для такого рода экспериментов может помочь ученым лучше понять быстро развивающийся мир молекулярных взаимодействий, что, в свою очередь, может способствовать прогрессу в ряде областей.

«Именно понимая эти основные процессы внутри и между молекулами, мы можем открыть новый мир возможностей в области материаловедения, разработки лекарств или сбора солнечной энергии», — говорят ученые. «Это также может помочь улучшить другие процессы, которые основаны на взаимодействии молекул со светом, например, повреждение озонового слоя».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemistry.