Квантовый компьютер замедлил химическую реакцию в 100 миллиардов раз

Ученые из Сиднейского университета совершили революционное достижение в области химии, непосредственно наблюдая за важнейшим процессом химической реакции с помощью квантового компьютера. Замедлив процесс в 100 миллиардов раз, исследователи смогли наблюдать интерференционную картину, возникающую при взаимодействии одного атома с общей геометрической структурой, называемой "коническим пересечением". Это открытие открыло новые возможности в материаловедении, разработке лекарств и сборе солнечной энергии.

Понимание феномена конического пересечения

Конические перекрестки играют важнейшую роль в быстрых фотохимических процессах, таких как сбор света в человеческом зрении и фотосинтез. Однако непосредственное наблюдение этих геометрических процессов представляет собой сложную задачу из-за их чрезвычайно быстрых временных масштабов. Химики безуспешно пытаются наблюдать эти процессы с 1950-х годов.

Исследователи квантовых процессов из Школы физики и Школы химии Сиднейского университета разработали эксперимент, в котором уникальным образом использовался квантовый компьютер с захваченными ионами. Это позволило им перенести решение сложной задачи на относительно небольшое квантовое устройство и замедлить процесс в 100 миллиардов раз. Результаты исследования опубликованы 28 августа в журнале Nature Chemistry.

Замедление времени: От фемтосекунд до миллисекунд

В природе эти химические процессы протекают в течение фемтосекунд, что эквивалентно одной квадриллионной доле секунды. Используя квантовый компьютер, исследователи смогли расширить этот временной интервал с фемтосекунд до миллисекунд, что позволило проводить значимые наблюдения и измерения, которые ранее были невозможны.

Доктор Кристоф Валаху, один из ведущих авторов работы из Школы физики, пояснил, что с помощью квантовых технологий они смогли непосредственно наблюдать динамику "геометрической фазы". Он сравнил свой эксперимент с моделированием воздушных потоков вокруг крыла самолета в аэродинамической трубе. Это наблюдение было не цифровым приближением, а прямым аналогом квантовой динамики, разворачивающейся со скоростью, которую можно наблюдать.

Разгадка тайн фотохимических реакций

Фотохимические реакции, такие как фотосинтез, предполагают молниеносную передачу энергии между молекулами. В ходе этих реакций образуются конические перекрестки - области обмена. Исследование, проведенное учеными Сиднейского университета, позволило замедлить эту динамику в квантовом компьютере и выявить предсказанные отличительные черты, связанные с коническими пересечениями в фотохимии.

Последствия для материаловедения, разработки лекарств и сбора солнечной энергии

Понимание фундаментальных процессов, происходящих внутри молекул и между ними, позволяет ученым открыть новые возможности в различных областях. Материаловедение, разработка лекарственных препаратов и сбор солнечной энергии - все они могут извлечь выгоду из этого прорыва. Возможность наблюдения и манипулирования химическими реакциями на столь детальном уровне открывает перспективы для создания более эффективных материалов, разработки новых лекарств и совершенствования процессов, основанных на взаимодействии молекул со светом.

Доктор Валаху подчеркнул важность проведенного исследования, заявив: "Такого еще не было". Возможность наблюдать и понимать химическую динамику на столь точном уровне способна произвести революцию во многих научных дисциплинах.