Ученые замедлили химическую реакцию в 100 миллиардов раз с помощью квантового компьютера

Исследователи из Сиднейского университета использовали возможности квантовой механики для наблюдения за важнейшим молекулярным танцем в таких реакциях, как фотосинтез. Используя квантовый компьютер, они замедлили эти реакции в 100 млрд. раз. Ранее такое прямое наблюдение было невозможно из-за скорости этого явления.

Квантовая механика, которая и сегодня воспринимается как таинственная, является игровой площадкой для многих ученых, стремящихся расшифровать взаимодействия в атомном масштабе. В центре этих поисков находится группа специалистов из Сиднейского университета, сделавшая замечательный шаг вперед. Исследователям впервые удалось непосредственно наблюдать «молекулярный танец», необходимый для основных химических реакций, таких как фотосинтез.

Используя квантовый компьютер, они смогли замедлить химическую реакцию в 100 млрд. раз и изучить ее в деталях, практически в режиме «замедленной съемки». Это открытие может повлиять на наше понимание таких разных явлений, как фотосинтез и разрушение озонового слоя. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Коническое пересечение: ключевое явление

Исследование было посвящено молекулярному взаимодействию, получившему название «коническое пересечение». Это важнейшее понятие в изучении молекулярных взаимодействий. Чтобы понять его, необходимо вернуться к геометрии молекул. Каждая молекула имеет определенную пространственную конфигурацию, и когда мы говорим о коническом пересечении, мы имеем в виду конкретные точки, в которых энергия двух молекулярных поверхностей абсолютно одинакова. Когда две поверхности пересекаются, точка пересечения представляет собой это коническое пересечение.

Но почему это так важно? Эти пересечения играют решающую роль в том, что на квантовом уровне они действуют как «воронки». В субатомном мире электроны могут переходить из одного энергетического состояния в другое. Эти переходы необходимы для многих химических реакций. Коническое пересечение облегчает эти переходы, выступая в роли быстрого перехода между различными электронными состояниями.

Такие перекрестки присутствуют во многих реакциях, в том числе и в фотосинтезе. Таким образом, изучая эти перекрестки, исследователи могут получить ценную информацию о том, как протекают химические реакции на молекулярном уровне.

Квантовый компьютер — ключевой инструмент

Прямое наблюдение таких быстрых и тонких явлений, как конусные пересечения в химических реакциях, представляет собой серьезную проблему для ученых. Взаимодействия такого масштаба происходят с головокружительной скоростью, часто составляющей несколько фемтосекунд. Фемтосекунда — это одна квадриллионная часть секунды, или 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 секунда. То есть это невероятно короткий промежуток времени.

Вот здесь-то и приходит на помощь квантовый компьютер с ионной ловушкой. В отличие от обычных компьютеров, квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для обработки информации. В квантовом компьютере квантовые частицы, или ионы, удерживаются в электрическом поле и управляются с помощью лазеров. Эта технология позволяет моделировать и наблюдать квантовые явления в реальном времени.

Ванесса Олайя Агудело, ведущий исследователь и докторант, подчеркивает скорость естественного процесса, а в пресс-релизе подчеркивается мастерство их достижения. Используя квантовый компьютер, исследовательской группе удалось значительно замедлить реакцию. Она поясняет: «Используя наш квантовый компьютер, мы создали систему, которая позволила нам замедлить химическую динамику с нескольких фемтосекунд до нескольких миллисекунд. Это позволило нам провести значительные наблюдения и измерения«.

Доктор Кристоф Валаху (Christophe Valahu) из Школы физики Сиднейского университета, соавтор работы, добавил: «Наш эксперимент не был численной аппроксимацией процесса. Это было прямое аналоговое наблюдение квантовой динамики, происходящей на скорости, которую мы могли наблюдать«.

Основные последствия для науки

Сверхбыстрая динамика на молекулярном уровне, несмотря на свою сложность, имеет фундаментальное значение для понимания многих химических процессов. Эта динамика, которая часто разворачивается в мгновение ока, является ключом ко многим реакциям, имеющим непосредственное отношение к нашей повседневной жизни и окружающей среде.

Способность наблюдать и понимать эту динамику открывает путь к множеству приложений. В материаловедении лучшее понимание молекулярных взаимодействий может привести к созданию новых материалов с улучшенными или специфическими свойствами. В медицине это может улучшить разработку лекарств, позволяя исследователям более точно нацеливаться на нужные молекулярные взаимодействия, повышая тем самым эффективность и снижая побочные эффекты.

Помимо непосредственного применения, понимание этой динамики имеет и экологические последствия. Например, смог является результатом сложных химических реакций в атмосфере. Более глубокое понимание этих реакций позволит разработать более эффективные стратегии по снижению загрязнения воздуха. Аналогичным образом, более глубокое понимание молекулярных взаимодействий может помочь нам понять и, возможно, уменьшить ущерб, наносимый озоновому слою, который защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.