Wissenschaftler der Universität Sydney nutzten einen Quantencomputer, um einen wichtigen chemischen Reaktionsprozess zu verlangsamen und direkt zu beobachten und dabei Details zu enthüllen, die aufgrund der schnellen Zeitskalen bisher nicht sichtbar waren. Dieser Durchbruch bietet neue Erkenntnisse für die Materialwissenschaft, das Arzneimitteldesign und andere Bereiche.
Was in der Natur in Femtosekunden passiert, lässt sich heute im Labor in Millisekunden beobachten.
Wissenschaftler am Universität Sydney haben eine bahnbrechende Leistung vollbracht, indem sie einen kritischen chemischen Reaktionsprozess direkt beobachteten, indem sie ihn mithilfe eines Quantencomputers um den Faktor 100 Milliarden verlangsamten.
Die gemeinsame leitende Forscherin und Doktorandin Vanessa Olaya Agudelo sagte: „Durch das Verständnis dieser grundlegenden Prozesse innerhalb und zwischen Molekülen können wir eine neue Welt voller Möglichkeiten in der Materialwissenschaft, dem Arzneimitteldesign oder der Gewinnung von Solarenergie eröffnen.“
„Es könnte auch dazu beitragen, andere Prozesse zu verbessern, die auf der Wechselwirkung von Molekülen mit Licht beruhen, beispielsweise die Entstehung von Smog oder die Schädigung der Ozonschicht.“
Bildnachweis: Sebastian Zentilomo
Das Phänomen der konischen Kreuzung
Konkret beobachtete das Forschungsteam das Interferenzmuster eines einzelnen Atom verursacht durch eine in der Chemie übliche geometrische Struktur, die als „konischer Schnittpunkt“ bezeichnet wird.
Konische Schnittpunkte sind in der gesamten Chemie bekannt und für schnelle photochemische Prozesse wie die Lichtgewinnung im menschlichen Sehvermögen oder von entscheidender Bedeutung Photosynthese.
Chemiker haben seit den 1950er Jahren versucht, solche geometrischen Prozesse in der chemischen Dynamik direkt zu beobachten, aber es ist aufgrund der extrem schnellen Zeitskalen nicht möglich, sie direkt zu beobachten.
Die Hauptautoren Vanessa Olaya Agudelo und Dr. Christophe Valahu vor dem im Experiment verwendeten Quantencomputer im Sydney Nanoscience Hub. Bildnachweis: Stefanie Zingsheim/Universität Sydney
Um dieses Problem zu umgehen, haben Quantenforscher der Fakultät für Physik und der Fakultät für Chemie ein Experiment entwickelt, bei dem sie einen Quantencomputer mit gefangenen Ionen auf völlig neue Weise nutzen. Dies ermöglichte es ihnen, dieses sehr komplizierte Problem zu entwerfen und auf ein relativ kleines Quantengerät abzubilden – und den Prozess dann um den Faktor 100 Milliarden zu verlangsamen.
Ihre Forschungsergebnisse wurden am 28. August in der Zeitschrift veröffentlicht Naturchemie.
„In der Natur ist der gesamte Prozess innerhalb von Femtosekunden abgeschlossen“, sagte Frau Olaya Agudelo von der School of Chemistry. „Das ist ein Milliardstel einer Millionstel – oder ein Billiardstel – einer Sekunde.“
„Mit unserem Quantencomputer haben wir ein System gebaut, das es uns ermöglichte, die chemische Dynamik von Femtosekunden auf Millisekunden zu verlangsamen. Dadurch konnten wir aussagekräftige Beobachtungen und Messungen durchführen.
„Das hat es noch nie gegeben.“
Ein Wellenpaket, das sich um einen konischen Schnittpunkt entwickelt, experimentell gemessen mit einem Quantencomputer mit gefangenen Ionen an der Universität Sydney.
Um zu beobachten, wie sich ein Wellenpaket um einen simulierten konischen Schnittpunkt verhält, verwendeten die Forscher ein einzelnes gefangenes Ion – ein einzelnes geladenes Ytterbiumatom, das durch elektrische Felder in einem Vakuum eingeschlossen ist.
Anschließend wurde es durch die Anwendung einer komplexen und präzisen Abfolge von Laserimpulsen gesteuert und gemessen.
Das mathematische Modell, das konische Schnittpunkte beschreibt, wurde dann in das Fallenionensystem integriert.
Anschließend konnte sich das Ion um den konstruierten konischen Schnittpunkt herum entwickeln.
Anschließend erstellten die Forscher einen Film der Ionenentwicklung rund um den konischen Schnittpunkt (siehe GIF). Jeder Frame des GIF zeigt ein Bild, das die Wahrscheinlichkeit beschreibt, das Ion an einem bestimmten Koordinatensatz zu finden.
Bildnachweis: University of Sydney
Die Rolle der Quantentechnologie
Der gemeinsame Hauptautor Dr. Christophe Valahu von der School of Physics sagte: „Bisher konnten wir die Dynamik der ‚geometrischen Phase‘ nicht direkt beobachten; es passiert zu schnell, um es experimentell zu untersuchen.
„Mit 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 entfaltete, die wir beobachten konnten“, sagte er.
Bei photochemischen Reaktionen wie der Photosynthese, bei der Pflanzen ihre Energie von der Sonne beziehen, übertragen Moleküle blitzschnell Energie und bilden Austauschbereiche, die als konische Schnittpunkte bekannt sind.
Diese Studie verlangsamte die Dynamik im Quantencomputer und enthüllte die verräterischen Merkmale, die mit konischen Schnittpunkten in der Photochemie vorhergesagt – aber noch nie gesehen – wurden.
Zusammenarbeit und zukünftige Auswirkungen
Co-Autor und Leiter des Forschungsteams, außerordentlicher Professor Ivan Kassal von der School of Chemistry und dem Nano Institute der University of Sydney, sagte: „Dieses aufregende Ergebnis wird uns helfen, die ultraschnelle Dynamik besser zu verstehen – wie sich Moleküle auf schnellsten Zeitskalen verändern.“
„Es ist großartig, dass wir an der Universität Sydney Zugriff auf den besten programmierbaren Quantencomputer des Landes haben, um diese Experimente durchzuführen.“
Der zur Durchführung des Experiments verwendete Quantencomputer befindet sich im Quantenkontrolllabor von Professor Michael Biercuk, dem Gründer des Quanten-Startups Q-CTRL. Die experimentellen Bemühungen wurden von Dr. Ting Rei Tan geleitet.
Dr. Tan, Mitautor 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 anzugehen.“
Referenz: „Direkte Beobachtung der geometrischen Phaseninterferenz in der Dynamik um einen konischen Schnittpunkt“ von CH Valahu, VC Olaya-Agudelo, RJ MacDonell, T. Navickas, AD Rao, MJ Millican, JB Pérez-Sánchez, J. Yuen-Zhou, MJ Biercuk, C. Hempel, TR Tan und I. Kassal, 28. August 2023, Naturchemie.
DOI: 10.1038/s41557-023-01300-3
Die Forschung wurde durch Zuschüsse des US Office of Naval Research unterstützt; das US Army Research Office Laboratory for Physical Sciences; die Aktivität „Fortgeschrittene Forschungsprojekte des US-Geheimdienstes“; Lockheed Martin; die Australian Defence Science and Technology Group, Sydney Quantum; ein University of Sydney-University of California San Diego Partnership Collaboration Award; H. und A. Harley; und durch Rechenressourcen der National Computational Infrastructure der australischen Regierung.