Блог

Aug 22, 2023

Квантовый компьютер раскрывает атомную динамику света

28 августа 2023 г. | Автор: Кен Кингери Квантовый компьютер замедлил моделируемые молекулярные квантовые эффекты в миллиард раз, что позволило исследователям впервые напрямую измерить их. ДАРЕМ, Северная Каролина –

28 августа 2023 г. | Кен Кингери

Квантовый компьютер замедлил моделируемые молекулярные квантовые эффекты в миллиард раз, что позволило исследователям впервые измерить их напрямую.

ДАРЕМ, Северная Каролина – Исследователи из Университета Дьюка внедрили квантовый метод для наблюдения квантового эффекта в том, как поглощающие свет молекулы взаимодействуют с поступающими фотонами. Этот эффект, известный как коническое пересечение, накладывает ограничения на пути, по которым молекулы могут переходить между различными конфигурациями.

В методе наблюдения используется квантовый симулятор, разработанный на основе исследований в области квантовых вычислений, и он решает давний фундаментальный вопрос химии, имеющий решающее значение для таких процессов, как фотосинтез, зрение и фотокатализ. Это также пример того, как достижения в области квантовых вычислений используются для исследования фундаментальной науки.

Результаты появятся 28 августа в журнале Nature Chemistry.

«Как только квантовые химики столкнулись с этими явлениями конического пересечения, математическая теория заявила, что существуют определенные молекулярные расположения, которые невозможно достичь от одного к другому», — сказал Кеннет Браун, заслуженный профессор инженерии Майкла Дж. Фитцпатрика в Дьюкском университете. . «Это ограничение, называемое геометрической фазой, не невозможно измерить, но никто не смог это сделать. Использование квантового симулятора дало нам возможность увидеть его в его естественном квантовом существовании».

Конические пересечения можно представить как горную вершину, касающуюся вершины своего отражения, идущего сверху, и управляющего движением электронов между энергетическими состояниями. Нижняя половина конического пересечения представляет энергетические состояния и физические положения невозбужденной молекулы в ее основном состоянии. Верхняя половина представляет собой ту же молекулу, но с возбужденными электронами, поглотившими энергию от падающей легкой частицы.

Молекула не может оставаться в верхнем состоянии — ее электроны смещены относительно атомов хозяина. Чтобы вернуться в более благоприятное состояние с более низкой энергией, атомы молекулы начинают перестраиваться, чтобы встретиться с электронами. Точка, где встречаются две горы — коническое пересечение — представляет собой точку перегиба. Атомы могут либо не суметь перейти на другую сторону, вернувшись в исходное состояние, сбросив при этом избыточную энергию в молекулы вокруг них, либо они могут успешно переключиться.

Однако, поскольку атомы и электроны движутся очень быстро, они проявляют квантовые эффекты. Вместо того, чтобы находиться в какой-то одной форме — в любом месте горы — в любой момент времени, молекула на самом деле находится во многих формах одновременно. Можно представить, что все эти возможные места представлены одеялом, окутавшим часть горного ландшафта.

Но из-за математической особенности системы, вытекающей из базовой математики и называемой геометрической фазой, определенные молекулярные преобразования не могут произойти. Одеяло не может полностью обернуть гору.

«Если молекула имеет два разных пути, чтобы принять одну и ту же конечную форму, и эти пути окружают коническое пересечение, то молекула не сможет принять эту форму», — сказал Джейкоб Уитлоу, докторант, работающий в лаборатории Брауна. «Это эффект, который трудно понять интуитивно, потому что геометрическая фаза странна даже с точки зрения квантовой механики».

Измерение этого квантового эффекта всегда было сложной задачей, поскольку он недолговечен (порядка фемтосекунд) и мал в масштабах атомов. И любой сбой в работе системы помешает ее измерению. Хотя многие более мелкие части более крупного явления конического пересечения были изучены и измерены, геометрическая фаза всегда ускользала от исследователей.

«Если конические пересечения существуют — а они существуют — тогда должна существовать геометрическая фаза», — сказал Браун, который также работает в Университете Дьюка по физике и химии. «Но что значит сказать, что существует нечто, что вы не можете измерить?»