Jeden atom působí jako kvantový počítač a simuluje molekuly
Kvantový počítač použil jediný atom k modelování komplexní dynamiky organických molekul interagujících se světlem
Pohled uvnitř zachyceného iontového kvantového počítače, který provedl první simulaci molekulární chemie.
University of Sydney/Sciencebrush.Design
Jeden atom provedl první plné kvantové simulace toho, jak určité molekuly reagují na světlo. Vědci, kteří provedli výkon, říkají, že jejich minimalistický přístup by mohl dramaticky urychlit cestu k a „Kvantová výhoda“ – Když kvantové počítače budou schopny předvídat chování chemikálií nebo materiálů způsobem, který je mimo dosah běžných počítačů.
„Klíčovou výhodou tohoto přístupu je, že je neuvěřitelně hardware efektivní,“ říká Ting Rei Tan, experimentální kvantový fyzik na Sydney University. Jeden atom může kódovat informace, které se obvykle rozprostírají na asi tucet „qubits“, výpočetních jednotek používaných ve většině kvantových počítačů. Zjištění byla zveřejněna 14. května v Journal of American Chemical Society.
Žádný kvantový počítač si simuloval tuto úroveň složitosti v energetických hladinách molekul dříve, říká Alán Aspuru-Guzik, výpočetní chemik na University of Toronto v Kanadě. „Jedná se o turné-si-sílu, která zůstane v historických knihách.“
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Vzrušené elektrony
Tan a jeho kolegové simulovali chování tří různých organických molekul, allene, butrienu a pyrazinu, když jsou zasaženi energetickou částicí zvanou foton. Když k tomu dojde, spustí kaskádu událostí v molekule, která ovlivňuje jak jeho atomy se pohybují vůči sobě navzájem-vibrující jako koule spojené pružinami-a jak jeho elektrony skočí na vyšší energii nebo nadšené. Pochopení přesné posloupnosti těchto událostí může chemikům pomoci navrhnout molekuly, které kanálu nasměrují energii nejužitečnějším nebo nejúčinnějším způsobem, například v solárních panelech nebo v krém na opalovací krém.
Vědci našli způsob, jak tyto různé parametry zakódovat do jediného iontu Ytterbium zachyceného ve vakuu pomocí pulzujících elektrických polí: excitace elektronů molekuly odpovídaly podobným excitacím v jedné z elektronů iontů a dva různé vibrační režimy byly reprezentovány iontovým vrstvením uvnitř jeho trap ve dvou různých směrech. Tým také přitáhl ion s laserovými pulzy, aby přizpůsobil, jak všechny státy vzájemně interagovaly. To přinutilo ion, aby se v průběhu času vyvíjel, což znamená, že by mohlo napodobovat, jak odpovídající molekuly působí po zasažení fotonem.
Tým poté přečetl stav virtuálních molekul v sekvenci různých fází měřením měnící se pravděpodobnosti, že iontový elektron byl v průběhu času v vzrušeném stavu.
Výsledky odpovídaly tomu, co bylo známo o těchto třech molekulách, které potvrzují přístup, říká Tan. Allene, butriene a pyrazin jsou stále dostatečně jednoduché, aby byly studovány s běžnými počítačovými simulacemi, ale dochází k páře, když musí ztělesnit 20 vibračních režimů, což není neobvyklé pro složitější molekuly.
Kenneth Brown, kvantový inženýr na Duke University v Durhamu v Severní Karolíně, nazývá studii „skvělou prací“ a říká, že je to poprvé, kdy vědci ukázali, jak naladit takovou techniku, aby napodobovala vlastnosti specifických molekul.
Simulace chemie molekul a materiálů je často popisována jako jedna z nejslibnějších použití pro kvantové počítače – ale ta, která přinese užitečné výsledky pouze poté, co se stroje rozšířily na mnoho milionů qubits. Tan a jeho spolupracovníci předpovídají, že s jejich přístupem by kvantový počítač mohl být schopen provádět užitečné simulace pomocí pouze několika desítek iontů.
Tento článek je reprodukován se svolením a byl poprvé publikováno 16. května 2025.
