在毫秒中观察到的在飞秒中自然发生的事情

新的研究和世界上第一个实验结果显示了利用量子技术探索材料科学、药物或太阳能收集新设计的潜力。

瓦妮莎·奥拉亚·阿古德洛和克里斯托夫·瓦拉胡博士在悉尼纳米科学中心的量子计算机前，该中心用于实验。照片:斯蒂芬妮·辛斯海姆

悉尼大学的科学家们首次使用量子计算机来设计和直接观察化学反应中的一个关键过程，方法是将其减慢1000亿倍。

联合首席研究员、博士生瓦妮莎·奥拉亚·阿古德洛说:“正是通过理解分子内部和分子之间的这些基本过程，我们可以在材料科学、药物设计或太阳能采集方面开辟一个新的可能性世界。

“它还可能有助于改善依赖分子与光相互作用的其他过程，例如烟雾是如何产生的，臭氧层是如何被破坏的。”

具体来说，研究小组目睹了化学中一种常见的几何结构——所谓的‘圆锥交叉’导致的单个原子的干涉图案。

圆锥形交叉在整个化学中是已知的，并且对于快速光化学过程是至关重要的，例如人类视觉中的光捕获或光合作用。

自20世纪50年代以来，化学家们一直试图直接观察化学动力学中的这种几何过程，但鉴于所涉及的极快的时标，直接观察它们是不可行的。

为了解决这个问题，20世纪90年代的量子研究人员物理学院和化学学院以一种全新的方式用囚禁离子量子计算机创造了一个实验。这使得他们能够设计并将这个非常复杂的问题映射到一个相对较小的量子设备上——然后将这个过程减慢1000亿倍。

他们的研究成果发表在今天的自然化学杂志上。

“在自然界中，整个过程在几飞秒之内就结束了，”化学学院的奥拉亚·阿古德洛女士说。"那是一秒的十亿分之一，或者说一千万亿分之一."

“使用我们的量子计算机，我们建立了一个系统，使我们能够将化学动力学从飞秒减慢到毫秒。这使我们能够进行有意义的观察和测量。

“这是前所未有的。”联合首席作者、来自物理学院的Christophe Valahu博士说:“直到现在，我们还无法直接观察到‘几何相位’的动力学；它发生得太快，无法通过实验来探测。

"利用量子技术，我们已经解决了这个问题."瓦拉胡博士说，这类似于在风洞中模拟机翼周围的空气模式。

“我们的实验不是该过程的数字近似——这是对以我们可以观察到的速度展开的量子动力学的直接模拟观察，”他说。

在光合作用等光化学反应中，植物从太阳获得能量，分子以闪电般的速度转移能量，形成了被称为锥形交叉的交换区域。

这项研究减缓了量子计算机中的动力学，并揭示了光化学中与圆锥形交叉有关的预言，但以前从未见过的标志性特征。

伊万·卡萨尔副教授。

合著者和研究小组组长，伊万·卡萨尔副教授来自化学学院和悉尼大学纳米研究所，说:“这个令人兴奋的结果将帮助我们更好地理解超快动力学——分子如何在最快的时间尺度内变化。

“在悉尼大学，我们可以使用该国最好的可编程量子计算机来进行这些实验，这太棒了。”

用于进行实验的量子计算机在的量子控制实验室迈克尔·比尔库克教授量子创业公司的创始人，Q-CTRL。实验工作是由丁瑞丹博士进行。

该研究的合著者谭博士说:“这是化学理论家和实验量子物理学家之间的一次奇妙合作。我们正在用一种新的物理学方法来解决一个长期存在的化学问题。”