Naučnici sa Univerziteta u Sidneju su po prvi put koristili kvantni računar da konstruišu i direktno posmatraju proces koji je kritičan u hemijskim reakcijama usporavajući ga za faktor od 100 milijardi puta.
Zajednički vodeći istraživač i dr. studentica, Vanesa Olaja Agudelo, rekla je: „Razumevanjem ovih osnovnih procesa unutar i između molekula možemo otvoriti novi svet mogućnosti u nauci o materijalima, dizajnu lekova ili prikupljanju sunčeve energije.
„To bi takođe moglo pomoći u poboljšanju drugih procesa koji se oslanjaju na interakciju molekula sa svetlošću, kao što je način na koji se stvara smog ili kako je ozonski omotač oštećen.
Konkretno, istraživački tim je bio svedok interferencijskog obrasca jednog atoma uzrokovanog zajedničkom geometrijskom strukturom u hemiji koja se naziva „konusni presek“.
Konusne raskrsnice su poznate u celoj hemiji i od vitalnog su značaja za brze foto-hemijske procese kao što je sakupljanje svetlosti u ljudskom vidu ili fotosinteza.
Hemičari su pokušavali da direktno posmatraju takve geometrijske procese u hemijskoj dinamici od 1950-ih, ali nije izvodljivo da ih posmatraju direktno s obzirom na izuzetno brze vremenske okvire koji su uključeni.
Da bi zaobišli ovaj problem, kvantni istraživači na Fakultetu za fiziku i Hemijskoj školi napravili su eksperiment koristeći kvantni računar sa zarobljenim jonima na potpuno nov način. To im je omogućilo da dizajniraju i mapiraju ovaj veoma komplikovan problem na relativno mali kvantni uređaj – a zatim uspore proces za faktor od 100 milijardi. Rezultati njihovog istraživanja objavljeni su 28. avgusta u časopisu Nature Chemistri.
„U prirodi se ceo proces završava u roku od femtosekundi“, rekla je Olaja Agudelo iz Hemijske škole. „To je milijardni deo milionitog dela — ili jedan kvadrilionti deo — sekunde.
„Koristeći naš kvantni računar, izgradili smo sistem koji nam je omogućio da usporimo hemijsku dinamiku od femtosekunde do milisekundi. To nam je omogućilo da napravimo smislena zapažanja i merenja.“
„Ovo nikada ranije nije urađeno.
Zajednički vodeći autor dr Kristof Valahu sa Fakulteta za fiziku rekao je: „Do sada nismo bili u mogućnosti da direktno posmatramo dinamiku ‘geometrijske faze’; dešava se prebrzo da bi se eksperimentalno ispitala.
„Koristeći kvantne tehnologije, rešili smo ovaj problem.“
Valahu je rekao da je to slično simulaciji vazdušnih obrazaca oko krila aviona u aerotunelu.
„Naš eksperiment nije bio digitalna aproksimacija procesa – ovo je bilo direktno analogno posmatranje kvantne dinamike koja se odvija brzinom koju smo mogli da posmatramo“, rekao je on.
U fotohemijskim reakcijama kao što je fotosinteza, kojom biljke dobijaju energiju od sunca, molekuli prenose energiju brzinom munje, formirajući oblasti razmene poznate kao konusne preseke.
Ova studija je usporila dinamiku u kvantnom računaru i otkrila predvidljive znake – ali nikada ranije viđene – povezane sa konusnim presecima u fotohemiji.
Koautor i vođa istraživačkog tima, vanredni profesor Ivan Kassal sa Hemijskog fakulteta i Nano instituta Univerziteta u Sidneju, rekao je: „Ovaj uzbudljiv rezultat će nam pomoći da bolje razumemo ultrabrzu dinamiku – kako se molekuli menjaju u najbržim vremenskim razmacima.
„Neverovatno je što na Univerzitetu u Sidneju imamo pristup najboljem programabilnom kvantnom računaru u zemlji za sprovođenje ovih eksperimenata.
Kvantni računar koji se koristi za sprovođenje eksperimenta nalazi se u Laboratoriji za kvantno upravljanje profesora Michaela Biercuka, osnivača kvantnog startapa, K-CTRL. Eksperimentalni napor je vodio dr Ting Rei Tan.
Tan, koautor studije, rekao je: „Ovo je fantastična saradnja između teoretičara hemije i eksperimentalnih kvantnih fizičara. Koristimo novi pristup u fizici da se pozabavimo dugotrajnim problemom u hemiji.“
