Simulierte chemische Reaktion mit Hilfe eines Quantencomputers um das 100-Milliardenfache verlangsamt
Was sich in der Natur in Femtosekunden abspielt, kann jetzt im Labor in Millisekunden beobachtet werden
Wissenschaftler der Universität Sydney haben zum ersten Mal einen Quantencomputer eingesetzt, um einen für chemische Reaktionen entscheidenden Prozess zu steuern und direkt zu beobachten, indem sie ihn um den Faktor 100 Milliarden verlangsamt haben.
Die Hauptautoren Vanessa Olaya Agudelo und Dr. Christophe Valahu vor dem Quantencomputer im Sydney Nanoscience Hub, der für das Experiment verwendet wurde.
Stefanie Zingsheim/University of Sydney
Die leitende Forscherin und Doktorandin Vanessa Olaya Agudelo sagte dazu: "Durch das Verständnis dieser grundlegenden Prozesse in und zwischen Molekülen können wir neue Möglichkeiten in der Materialwissenschaft, der Entwicklung von Medikamenten oder der Gewinnung von Solarenergie erschließen.
"Es könnte auch dazu beitragen, andere Prozesse zu verbessern, die auf der Wechselwirkung von Molekülen mit Licht beruhen, z. B. wie Smog entsteht oder wie die Ozonschicht geschädigt wird."
Konkret beobachtete das Forschungsteam das Interferenzmuster eines einzelnen Atoms, das durch eine in der Chemie häufig vorkommende geometrische Struktur, die so genannte "konische Schnittstelle", verursacht wird.
Konische Schnittpunkte sind in der gesamten Chemie bekannt und für schnelle photochemische Prozesse wie die Lichtausbeute beim menschlichen Sehen oder die Photosynthese unerlässlich.
Seit den 1950er Jahren haben Chemiker versucht, solche geometrischen Prozesse in der chemischen Dynamik direkt zu beobachten, was jedoch aufgrund der extrem schnellen Zeitskalen nicht möglich ist.
Um dieses Problem zu umgehen, haben Quantenforscher der Fakultät für Physik und der Fakultät für Chemie ein Experiment entwickelt, bei dem ein Quantencomputer mit gefangenen Ionen auf völlig neue Weise eingesetzt wird. Auf diese Weise konnten sie dieses sehr komplizierte Problem auf einem relativ kleinen Quantengerät entwerfen und abbilden - und dann den Prozess um einen Faktor von 100 Milliarden verlangsamen.
Ihre Forschungsergebnisse werden heute in Nature Chemistry veröffentlicht.
"In der Natur ist der gesamte Prozess innerhalb von Femtosekunden abgeschlossen", so Olaya Agudelo von der Fakultät für Chemie. "Das ist ein Milliardstel einer Millionstel - oder ein Billiardstel - einer Sekunde."
"Mit unserem Quantencomputer haben wir ein System gebaut, mit dem wir die chemische Dynamik von Femtosekunden auf Millisekunden verlangsamen können. Dadurch konnten wir aussagekräftige Beobachtungen und Messungen durchführen.
"Das hat es bisher noch nie gegeben."
Dr. Christophe Valahu von der Fakultät für Physik, einer der Hauptautoren, sagte: "Bislang konnten wir die Dynamik der 'geometrischen Phase' nicht direkt beobachten; sie verläuft zu schnell, um sie experimentell zu untersuchen.
"Mit Hilfe von Quantentechnologien haben wir dieses Problem angegangen".
Dr. Valahu sagte, es sei vergleichbar mit der Simulation der Luftmuster um einen Flugzeugflügel in einem Windkanal.
"Unser Experiment war keine digitale Annäherung an den Prozess - es war eine direkte analoge Beobachtung der Quantendynamik, die sich mit einer Geschwindigkeit entfaltet, die wir beobachten konnten", sagte er.
Bei photochemischen Reaktionen wie der Photosynthese, durch die Pflanzen ihre Energie von der Sonne beziehen, übertragen Moleküle Energie blitzschnell und bilden Bereiche des Austauschs, die als Kegelschnittpunkte bekannt sind.
Diese Studie verlangsamte die Dynamik im Quantencomputer und enthüllte die verräterischen Merkmale, die mit konischen Kreuzungen in der Fotochemie verbunden sind, die aber nie zuvor gesehen wurden.
Mitautor und Leiter des Forschungsteams, Associate Professor Ivan Kassal von der School of Chemistry und dem University of Sydney Nano Institute, sagte: "Dieses aufregende Ergebnis wird uns helfen, die ultraschnelle Dynamik besser zu verstehen - wie sich Moleküle auf den schnellsten Zeitskalen verändern.
"Es ist großartig, dass wir an der Universität Sydney Zugang zu dem besten programmierbaren Quantencomputer des Landes haben, um diese Experimente durchzuführen.
Der Quantencomputer, mit dem das Experiment durchgeführt wurde, steht im Quantum Control Laboratory von Professor Michael Biercuk, dem Gründer des Quanten-Start-ups Q-CTRL. Das Experiment wurde von Dr. Ting Rei Tan geleitet.
Dr. Tan, eine Mitautorin der Studie, sagte: "Dies ist eine fantastische Zusammenarbeit zwischen Chemietheoretikern und experimentellen Quantenphysikern. Wir nutzen einen neuen Ansatz in der Physik, um ein seit langem bestehendes Problem in der Chemie zu lösen".
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