Используя квантовую машину, ученые напрямую наблюдали за взаимодействием атомов в реальном времени, образуя новые соединения или реагируя со светом.
Раньше квантовые компьютеры могли рассчитывать в основном неизменные характеристики молекул, например, их энергетические уровни. (Изображение)
Сиднейский университет
Исследователи из Сиднейского университета успешно провели первое в истории квантовое моделирование химической динамики с реальными молекулами. Этот прорыв может помочь ученым выйти на территории, которые ранее были недоступны даже для самых мощных классических суперкомпьютеров.
Ученые напрямую наблюдали, как атомы взаимодействуют в реальном времени, образуя новые соединения или реагируя со светом, используя квантовую машину. Новая техника, предложенная квантовым химиком профессором Иваном Кассалом и научным сотрудником Physics Horizon доктором Тингреем Таном, использует новую, высокоресурсоэффективную схему кодирования, реализованную на квантовом компьютере с захваченными ионами.
«Наш новый подход позволяет нам моделировать полную динамику взаимодействия света и химических связей. Это похоже на понимание положения и энергии горного туриста в любой момент времени его путешествия по горам», — сказал профессор Кассал.
Ресурсоэффективный метод квантового моделирования
До сих пор квантовые компьютеры были в основном ограничены расчетом статических свойств молекул, таких как их энергии. Моделирование динамических, развивающихся во времени процессов оставалось значительной проблемой из-за их сложности.
«Однако это исследование расширяет горизонты, моделируя поведение молекул при возбуждении светом — процесс, включающий сверхбыстрые электронные и колебательные изменения, которые классические компьютеры с трудом могут точно или эффективно смоделировать», — заявили исследователи в пресс-релизе.
Команда использовала метод аналогового квантового моделирования, используя только один захваченный ион. Это лишь малая часть аппаратных ресурсов, обычно необходимых традиционным цифровым квантовым компьютерам.
«Для выполнения той же симуляции с использованием более традиционного подхода в квантовых вычислениях потребовалось бы 11 идеальных кубитов и 300 000 безупречных запутывающих вентилей», — пояснил профессор Кассал.
«Наш подход примерно в миллион раз более ресурсоэффективен, позволяя изучать сложную химическую динамику с гораздо меньшими затратами ресурсов, чем считалось возможным ранее».
Моделирование конкретных молекул
Моделирование было сосредоточено на взаимодействии света с тремя конкретными молекулами: алленом (C3H4), бутатриеном (C4H4) и пиразином (C4N2H4).
Квантовое моделирование разворачивалось с ошеломляющим коэффициентом замедления времени в 100 миллиардов (1011), что означает, что моделирование выполнялось в доступном временном масштабе миллисекунд, воспроизводя при этом сверхбыстрые химические события, происходящие за фемтосекунды (10−15).
Примечательно, что это основано на более ранней работе 2023 года, где команда моделировала абстрактную общую квантовую динамику.
«Мы взяли это исследование и применили его подход к динамике трех различных молекул после поглощения ими света», — отметил доктор Тан.
«Возможно моделировать взаимодействия для этих конкретных молекул с помощью классических суперкомпьютеров. Но более сложные молекулы будут за пределами их возможностей. Квантовые технологии смогут моделировать такую сложность, которая выходит за рамки всех классических возможностей».
Большие последствия для энергетического сектора
Последствия этого исследования огромны, особенно для энергетического сектора. Более глубокое понимание сверхбыстрой фотоиндуцированной динамики, теперь доступное благодаря этим квантовым симуляциям, может произвести революцию в том, как мы используем и используем свет.
Это может напрямую привести к значительному улучшению систем солнечной энергетики и позволить разработать более эффективные фотоэлектрические элементы, которые будут улавливать и преобразовывать солнечный свет с беспрецедентной эффективностью.
Мы также можем узнать больше о том, как растения используют солнечный свет для получения энергии, что может помочь в создании новых энергетических решений, вдохновленных природой.
«Во всех этих случаях сверхбыстрая фотоиндуцированная динамика плохо изучена. Наличие точных инструментов моделирования ускорит открытие новых материалов, лекарств или других фотоактивных молекул», — заключил доктор Тан.
Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества.
Sourse: interestingengineering.com
