Výskumníci z University of Sydney v jedinečnom experimente použili kvantový počítač na to, aby vytvorili a priamo pozorovali proces, ktorý hrá hlavnú úlohu pri chemických reakciách. Na to, aby ho ale mohli pozorovať, ho museli spomaliť o sto miliárd násobok.
Ako vysvetľujú autori štúdie, výskum má pomôcť pochopiť základné procesy, ktoré sa odohrávajú vo vnútri molekúl a medzi nimi. Ak tieto procesy pochopíme, otvoria sa nám nové možnosti v materiálovej vede, vývoji liečiv, alebo pri získavaní solárnej energie.
“Zároveň by sme však dokázali nahliadnuť aj na iné procesy, ktoré sa zakladajú na interakcií molekúl so svetlom, napríklad vytváranie smogu, alebo na poškodenie ozónovej vrstvy,” tvrdí vedúca štúdie, Vanessa Olaya Agudelo.
Spomalenie prirýchlej reakcie
Presnejšie sa vedcom v rámci práce podarilo sledovať interferenčný vzorec jedného atómu, ktorý spôsobila chemická geometrická štruktúra, ktorú poznáme ako kužeľový priesečník. Kužeľové priesečníky sú v chémii veľmi známe a zároveň sú kľúčové pre rapídne fotochemické procesy, napríklad fotosyntézu alebo zachytávanie svetla v ľudskom oku.
Pozorovať tieto procesy sa vedci pokúšajú už od 50. rokov minulého storočia. Problémom však bolo, že ide o mimoriadne rýchle procesy, preto nebolo až doteraz možné ich pozorovať. V rámci novej štúdie sa ale podarilo vedcom navrhnúť jedinečný experiment, ktorý využil schopnosti kvantového počítača úplne novým spôsobom. Tento experiment vedcom dovolil namapovať mimoriadne komplikovaný problém na relatívne malé kvantové zariadenie. Následne dokázali spomaliť tento proces o sto miliárd násobok.
“V prírode sa tento proces odohráva za pár femtosekúnd, čo je jedna kvadrilióntina sekundy,” tvrdí Olaya Agudelo.
Autori práce navrhli systém, ktorý im umožnil spomaliť reakciu z femtosekúnd na milisekundy, čo sa doteraz nepodarilo nikomu. To im umožnilo vykonať zmysluplné merania. Výskumníci tvrdia, že simuláciu možno prirovnať k simulovaniu správania vzduchu okolo krídla lietadla vo veternom tuneli. Nešlo o digitálny odhad procesu, ale o priame pozorovanie kvantovej dynamiky v rýchlostných škálach, ktoré dokážeme pozorovať.
Pri fotochemických reakciách, napríklad fotosyntéze, molekuly prenášajú energiu naozaj bleskovými rýchlosťami. V tomto prípade vznikajú oblasti výmeny, ktoré poznáme ako kužeľové priesečníky. Pozorovanie tejto chemickej reakcie vedcom po prvýkrát odhalilo charakteristické stopy, ktoré síce teória predpovedala, no až doteraz ich nikto nedokázal vidieť priamo. Vedci tak vyriešili pretrvávajúci chemický problém a zároveň otvorili dvere do novej oblasti výskumov.
Pozorovanie týchto interakcií dáva vedcom možnosť lepšie pochopiť takzvanú ultrarýchlu dynamiku, teda ako molekuly medzi sebou reagujú na tých najrýchlejších časových škálach. Samotná práca je jedinečnou kombináciou talentov teoretických chemikov a experimentálnych kvantových fyzikov. Autori štúdie použili kvantový počítač, ktorý sa nachádza v Quantum Control Laboratory na univerzite v Sydney.
